Человеческое познание его сферы и границы
Шрифт:
И теория относительности, и квантовая теория привели к замене старого понятия «массы» понятием «энергии». «Массу» обычно определяли как «количество материи»; «материя» была, с одной стороны, «субстанцией» в метафизическом смысле, а с другой стороны, технической формой обычного понятия «вещи». «Энергия» считалась на ранних стадиях состоянием «материи». Энергию подразделяли на два вида: кинетическую и потенциальную. Кинетическая энергия частицы принималась равной половине произведения ее массы на квадрат скорости. Потенциальная энергия измерялась работой, необходимой для перемещения частицы в ее настоящее положение с какого-либо фиксированного положения. (Это делает постоянную неопределенной, но это не существенно). Если вы переносите камень с земли на вершину башни, то он в процессе этого переноса приобретает потенциальную энергию;
Теория относительности и эксперименты показали, что масса не постоянна, как считалось раньше, а при быстром движении увеличивается; если бы частица могла двигаться со скоростью света, ее масса стала бы бесконечно большой. Поскольку всякое движение относительно, различные определения массы, даваемые различными наблюдателями в соответствии с их движением по отношению к данной частице, все одинаково законны. Однако и с точки зрения этой теории имеется все же одно определение массы, которое может рассматриваться как основное, а именно определение, даваемое наблюдателем, который находится в покое по отношению к телу, масса которого подлежит определению. Поскольку увеличение массы со скоростью заметно только при скоростях, сравнимых со скоростью света, такое определение практически годится для всех случаев, за исключением частиц альфа и бета, испускаемых радиоактивными телами.
Квантовая теория осуществила еще большее посягательство на понятие «массы». Теперь оказывается, что везде, где энергия теряется в результате ее излучения, имеется также и соответствующая потеря массы. Считается, что Солнце теряет свою массу со скоростью четыре миллиона тонн в секунду. Другой пример: нейтральный атом гелия состоит (согласно теории Бора) из четырех протонов и четырех электронов, тогда как атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. В случае, если бы это было действительно так, можно было бы предположить, что масса атома гелия в четыре раза больше массы атома водорода. Однако это не так. Принимая массу атома гелия за 4, мы находим, что масса атома водорода равна не 1, а 1,008. Причиной этого служит то, что когда четыре атома водорода соединяются, чтобы образовать один атом гелия, происходит потеря энергии (в результате излучения — так, по крайней мере, мы можем предположить, ибо этот процесс никогда еще не наблюдался).
Думают, что такое соединение четырех атомов водорода для образования одного атома гелия происходит внутри звезд и могло бы происходить и в земных лабораториях, если бы могли создать температуры, сравнимые с температурами внутренних областей звезд. Как известно, в настоящее время этот процесс осуществлен в земных условиях в форме термоядерных взрывов. Почти всякая потеря энергии, связанная с образованием других элементов (не водорода), происходит при их превращении в гелий, причем на более поздних стадиях потеря энергии небольшая. Если бы гелий или какой-либо другой элемент (но не водород) мог быть искусственно создан из водорода, тогда произошло бы колоссальное освобождение энергии в форме света и теплоты. Это создало бы возможность атомных бомб, более разрушительных, чем теперешние, которые делаются из урана. В этом было бы и другое преимущество: запас урана на нашей планете ограничен, и есть опасность, что он будет израсходован раньше, чем исчезнет человеческая раса, а если бы мог использоваться практически неограниченный запас водорода в морях, то были бы достаточные основания надеяться, что homo sapiens положил бы конец самому себе к большой выгоде других, менее жестоких животных.
Но пора вернуться к менее веселым темам.
Язык теории Бора все еще пригоден для многих целей, но не для установления основополагающих принципов квантовой физики. Чтобы установить эти принципы, мы должны распрощаться со всякими наглядными изображениями того, что происходит в атоме, и должны оставить попытки сказать, что представляет собой энергия. Мы должны сказать просто: имеется нечто количественно измеримое, чему мы даем название «энергия»;
Математическая физика содержит в себе такую колоссальную теоретическую надстройку, что ее чувственное основание почти совершенно затемняется» Тем не менее это эмпирическая наука, и ее эмпирический характер ясно выделяется там, где дело касается физических постоянных. Эддингтон дает следующий перечень основных постоянных физики:
е — заряд электрона,
m — масса электрона,
М — масса протона,
h — постоянная Планка,
с — скорость света,
G — постоянная тяготения,
Ламед, — космическая постоянная.
Эти постоянные участвуют в основных уравнениях физики, и обычно (хотя и не всегда) считается, что ни одна из них не может быть выведена из других. Считается, что другие постоянные теоретически выводятся из этих; иногда их действительно можно вычислить, иногда же математики этого не могут сделать из-за слишком больших трудностей. Основные постоянные представляют собой то, что остается от грубых фактов после всего того, что может быть сведено к уравнениям (я не включаю сюда тех грубых фактов, которые являются чисто географическими).
Следует отметить, что мы гораздо более уверены в значении этих постоянных, чем в той или иной их интерпретации. Постоянная Планка в течение ее короткой истории с 1900 года словесно выражалась различными способами, однако все эти изменения нисколько не повлияли на ее числовое значение. Что бы ни случилось с квантовой теорией в дальнейшем, можно быть уверенным, что постоянная h сохранит свое значение. То же самое можно сказать и о е и m, то есть о заряде и массе электрона. Электроны могут полностью исчезнуть из основных принципов физики, но е и m безусловно выживут. В известном смысле можно сказать, что открытие и измерение этих постоянных является наиболее прочным достижением современной физики.
ГЛАВА 4
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ
До сих пор мы имели дело или со вселенной в целом, или с теми ее чертами, в которых все части вселенной сходны. То, что говорится в астрономии и физике, если все это правда, является совершенно нейтральным в том смысле, что не имеет специального отношения к нам самим или к нашему ближайшему пространственно-временному соседству. Но теперь мы должны обратить внимание на более близкие к нам вещи. Мы знаем о нашей собственной планете и ее обитателях parasites многое такое, чего не можем знать о других местах вселенной. Возможно, что жизнь существует везде, а может быть, в каких-либо отдаленных туманностях имеется и нечто такое, что не является жизнью, какой мы ее знаем, но столь же сложно и столь же отлично от известных нам неорганических субстанций. Но хотя это и возможно, все же положительных оснований для такого предположения нет; все, что мы знаем о жизни, мы знаем из наблюдений над поверхностью Земли или областями весьма к ней близкими. Изучая жизнь с научной точки зрения, мы остаемся безразличными по отношению к величественным видам астрономии и отказываемся от исследования подробного и глубокого знания той структуры, которую дает атомная теория.
Человечеству оказалось гораздо труднее встать на научную точку зрения в отношении жизни, чем в отношении небесных тел; даже во времена Ньютона биология все еще была глубоко проникнута суевериями. Способность роста, которой обладает все живущее, и способность к самопроизвольным движениям, которой обладают животные, казались непостижимо таинственными. Движения животных не отличаются простой регулярностью движений небесных тел. Более того, мы сами — живые существа, и то, что отличает нас как от неживой материи, так и от птиц и зверей, является, как тогда думали, чем-то возвышенным и недоступным для бесстрастного научного исследования.