Информация или интуиция?

Шилейко Алексей

СНОВА ШАРЫ

А что, если в попытках ответить на вопрос, почему отдельные процессы в природе необратимы, мы привлечем понятие случайности? Ведь любой процесс в больших физических системах, таких, как множество бильярдных шаров или молекул, сводится к последовательности элементарных актов. На бильярдном столе эти акты суть столкновения шаров между собой. Рассмотрим подробнее столкновение шаров, предположив сначала, что оно происходит в строгом соответствии со всеми законами механики.Вот шары движутся по двум сближающимся прямолинейным траекториям, вот они пришли в соприкосновение, разошлись и продолжают двигаться по двум, теперь расходящимся, траекториям. Стоп! Остановили время и пустили его наоборот. Теперь шары сходятся, двигаясь в обратном направлении по траекториям, по которым они расходились, входят в соприкосновение и, если все законы механики выполняются, теперь расходятся именно по тем траекториям, по которым они ранее сходились. В классической механике процесс столкновения шаров обратим. Следовательно, должен быть обратим и любой более сложный процесс, состоящий из отдельных элементарных столкновений.Представим себе теперь, что акт столкновения хотя бы в малой своей части содержит элемент случайности. Тогда, точно зная траектории, по которым шары сближаются, мы сможем лишь приближенно предсказать траектории, по которым они будут расходиться после столкновения.Если акт столкновения шаров содержит элемент случайности, то оно, столкновение, может быть строго описано в терминах теории вероятностей (теория вероятностей представляет собой строгую, а не приближенную теорию именно для случайных событий). В частности, теория вероятностей позволит предсказать величину угла, в пределах которого будут расположены траектории каждого шара после столкновения.Итак, если элементарный акт столкновения двух шаров содержит элемент случайности, то мы наблюдаем такую картину. Два шара движутся по строго определенным сближающимся траекториям, приходят в соприкосновение, и после этого каждый шар произвольно выбирает себе одну из траекторий в пределах данного угла. Как говорил А. Эйнштейн, бог, перед тем как задать тару определенную траекторию, каждый раз бросает кости.Ясно, что такой процесс необратим. ЕСЛИ после столкновения шаров мы поменяем знак у переменной времени, получится следующее. Расходившиеся шары начнут сближаться в точности по тем же траекториям, по которым они до этого расходились, а придя в соприкосновение, они уже не станут двигаться по своим прежним траекториям. Вместо этого каждый шар опять-таки выберет себе одну из траекторий в пределах данного угла. Но необратимость одного элементарного акта, конечно, означает необратимость и всего процесса, состоящего из таких элементарных актов. Более того, после каждого очередного столкновения неопределенность траектории, а следовательно, и положение шаров будут возрастать, И очень скоро наступит такое положение, когда определенно нельзя будет ничего сказать о положении шаров. Любые утверждения могут делаться только применительно к вероятностям положений и состояний.

КТО ЖЕ ПРАВ, А. ЭЙНШТЕЙН ИЛИ Н. БОР!

Теперь

ясно, что предположение о случайности отдельных элементарных актов в природе полностью объясняет необратимость происходящих в ней процессов. Вопрос о том, действительно ли имеет место эта самая случайность, то есть опять-таки, кто прав, А. Эйнштейн или Н. Бор?Никакие макроскопические эксперименты не позволяют однозначно ответить на этот вопрос. Мы уже подчеркивали, и имеет смысл повторить еще раз, что второе начало термодинамики описывает лишь некоторое свойство массовых процессов. Причем это свойство проявляется только в вырожденных системах, то есть в системах, где существенным для их протекания является только наличие элемента в данный момент времени и в данной области пространства, и при этом совершенно безразлично, какой именно элемент на самом деле участвует в данном элементарном акте. Стоит, как мы говорили, снять вырождение, и система начнет вести себя совеем по-иному.Для удовлетворения второго начала термодинамики требуется также равновероятность отдельных микросостояний. Однако для такой равновероятности совсем необязательно, чтобы отдельные элементарные акты содержали элемент случайности. Если все элементарные акты будут совершаться в строгом соответствии с законами классической механики, но этих актов будет очень много и совершаться они будут над большим количеством элементов, то очень скоро система станет вести себя так, что все ее состояния окажутся равновероятными, или, во всяком случае, так, как если бы они были равновероятными. Вспомним, что вынести точное суждение по поводу вероятности можно лишь в том случае, если мы наблюдаем систему в течение бесконечного времени, или, что равносильно, наблюдаем бесконечное количество одинаковых систем.Лучшим доказательством сказанного является опыт работы с так называемыми генераторами случайных чисел. В современных ЭВМ реализуются алгоритмы, позволяющие получать последовательности чисел, распределение которых с любой наперед заданной точностью совпадает с соответствующим распределением случайных явлений. И в то же время эти числа получаются с помощью алгоритма, то есть строго детерминированным образом.Утверждение о том, что из случайной природы элементарных актов вытекает необратимость процессов, состоящих из этих актов, имеет и обратную силу. Если большинство процессов в природе действительно необратимы, значит, в их основе лежат случайные события. Казалось бы, нет лучшего доказательства случайной природы элементарных актов. Ведь разбитая чашка не склеивается! Но не станем торопиться. Наблюдая за разбитыми чашками, мы исследуем лишь локальные свойства природы в течение весьма небольших промежутков времени. А для однозначного ответа на вопрос о случайности необходимо убедиться в том, что необратимость процессов имеет место всегда, в сколь угодно больших областях пространства и в течение сколь угодно больших промежутков времени.Последняя фраза наводит нас на мысль: а не стоит ли поискать ответ на наш вопрос в космологии? Существует космологическая теория, которую впервые начал развивать советский ученый А. Фридман. Согласно этой теории все галактики, составляющие вселенную, разбегаются в разные стороны, причем скорость, с которой удаляется от наблюдателя каждая галактика, пропорциональна расстоянию от этой галактики до наблюдателя. Весьма интересно, что это утверждение справедливо независимо от того, где находится наблюдатель. Советуем читателю как следует поразмышлять над сказанным. Такие размышления позволят ему подметить весьма интересные свойства геометрии нашей вселенной.Нас интересует, однако, другое. В данный исторический период галактики разбегаются. А что будет дальше? В теории Фридмана содержится ответ на этот вопрос. Если средняя плотность вещества во вселенной меньше некоторого критического значения, галактики будут продолжать разбегаться. Такой процесс расширения вселенной, будучи необратимым, и представляет собой окончательное доказательство (на сей раз безапелляционное) случайности элементарных актов. Но это лишь в том случае, если средняя плотность вещества действительно меньше критического значения. Если это не так, то на смену периоду разбегания обязательно .придет период сближения. Галактики начнут двигаться по направлению друг к другу, и так будет продолжаться до тех пор, пока все вещество во вселенной не займет бесконечно малый объем, практически стянется в точку. Затем последует взрыв и все начнется сначала.Теория Фридмана практически является на сегодня общепринятой, хотя бы в той ее части, что вселенная возникла из первичного взрыва. Этому есть много экспериментальных доказательств, в частности так называемое реликтовое излучение. Что же касается прогноза на будущее, то здесь, как говорится, бабушка надвое сказала. Современные подсчеты средней плотности вещества во вселенной дают цифру, чуть меньшую критического значения. Однако ни из чего не следует, что ученые учли все вещество. Вполне возможно, что во вселенной существуют объекты, о которых мы пока Просто ничего не знаем. Ведь только недавно были обнаружены, скажем, черные дыры. Есть все основания предполагать, что истинная средняя плотность вещества все-таки больше критической. Вселенная не исчезнет бесследно, а возродится в очередном первичном взрыве, и так будет повторяться до бесконечности.С позиций вопросов, рассматриваемых в этой книге, нас больше всего интересует тот момент, когда все вещество вселенной стянется в точку. Энтропия точки (одного бильярдного шара), очевидно, равна нулю. Чему же равно количество информации, содержащейся в точке? Это количество информации равно значению энтропии вселенной в тот момент, когда она достигает своего максимального значения, иначе говоря, в тот момент, когда галактики перестанут разбегаться и вот-вот начнут сближаться. Вряд ли стоит спрашивать, о чем эта информация. О всей структуре будущей вселенной, и в том числе о всех чашках, которые возникнут в будущем взамен разбитых сегодня.Так выглядит представление об информации с позиций современной термодинамики и космологии.

ГАРМОНИЯ СФЕР

Коли уж мы упоминали выше труды древнегреческих ученых и философов, нельзя обойти молчанием одного из наиболее легендарных среди них, а именно Пифагора. Как математик Пифагор, несомненно, представляет собой особо яркую фигуру для всего рассматриваемого периода древнегреческой науки. Нельзя сказать то же о его философских воззрениях, хотя пифагорейство есть едва ли не самое долговечное философское направление изо всех когда-либо существовавших в Европе.В основу своих воззрений на природу вещей Пифагор и его последователи приняли магию чисел. Мир основан на гармонии, учили они. Иначе говоря, между всеми явлениями природы должны существовать простые численные соотношения. Законам простых численных соотношений должно подчиняться и строение вселениой. В те времена считалось, что каждая планета прикреплена к твердой сфере, движущейся определенным образом вокруг Земли. Пифагор утверждал, что радиусы этих сфер находятся также в простых численных соотношениях. Эти соотношения получили название гармонии сфер.Ясно, что после построения гелиоцентрической системы само понятие небесных сфер, а следовательно, и всякие рассуждения о существующей между ними гармонии потеряли смысл. Однако вопрос о гармонии сфер получил неожиданное продолжение. В 1766 году некто И. Тициус занимался переводом с французского языка на немецкий книги знаменитого философа и естествоиспытателя Ш. Бонне «Созерцание природы». Между шестым и седьмым абзацами в главе четвертой первой части этой книги И. Тициус включил дополнительный текст:«Если обратить внимание на расстояния между соседними орбитами планет, то можно заметить, что эти расстояния увеличиваются почти пропорционально радиусам самих орбит. Если принять расстояние Сатурна от Солнца за 100 единиц, то Меркурий находится от Солнца на расстоянии 4 единиц, Земля 4 + 6 = 10 единиц, Марс 4+ 12= 16 единиц. Но при переходе от Марса к Юпитеру имеется отклонение от этой точности. После Марса такой прогрессии отвечает расстояние в 4 + 24 = 28 единиц, но на этом расстоянии мы не видим ни большой планеты, ни планетного спутника. Неужели создатель оставил это пространство пустым? Нив коем случае! Уверенно держу пари, что это место занимают еще не открытые спутники Марса; позвольте добавить, что Юпитер, возможно, также имеет спутников, которые еще не наблюдались. Далее мы открываем для себя положение Юпитера, отвечающее 4 + 48 = 52 единицам; Сатурн же находится на расстоянии 4 + 96 — = 100 единиц. Какое удивительное соотношение!»Трудно сказать, почему И. Тициус опубликовал эти соображения в столь скромной форме: не в виде самостоятельной статьи или хотя бы примечания к переводу книги Ш. Бонне. Определить авторство в данном случае мог только человек, сличающий французский и немецкий тексты. Естественно, что сначала никто не обратил внимания на закон Тициуса.Во втором издании перевода, вышедшем через шесть лет, И. Тициус поместил тот же самый текст уже в виде примечания переводчика. Как раз в это время И. Боде заканчивал подготовку второго издания своей книги «Руководство по изучению звездного неба». И. Боде обнаружил примечание И. Тициуса и был глубоко поражен согласием между этим законом и радиусами орбит известных в то время шести планет. И. Боде тотчас же уверовал в этот закон и включил его в текст своей книги в качестве примечания. Поскольку авторитет И. Бо-де как ученого был неизмеримо выше авторитета скромного переводчика И. Тициуса, закон получил название закона Боде и лишь в дальнейшем — закона Тициуса — Боде.

СУДЬБА ЗАКОНА

В начале закону Тициуса — Боде не придавали большого значения. Положение, однако, изменилось после того, как в 1781 году В. Гершель открыл «любопытный объект — либо туманную звезду, либо, возможно, комету», который при дальнейшем изучении он счел кометой, так как объект перемещался. Несколькими месяцами позже А. Лексель пришел к выводу, что объект, открытый В. Гершелем, является планетой, и опубликовал первые вычисления ее круговой орбиты. Планету назвали Ураном (название, кстати, предложил И. Боде). Каково же было удивление астрономов, когда оказалось, что среднее расстояние новой планеты от Солнца отклоняется от числа 196, предсказываемого законом Тициуса —- Боде, всего лишь на два процента. Закон Тициуса — Боде оказался в центре внимания: одно дело расположить в некотором порядке уже известные числа, а другое дело предсказать существование еще неизвестной планеты.Астрономы сразу обратили внимание на то, что согласно закону Тициуса — Боде между Марсом и Юпитером (если, конечно, этот закон справедлив) должна быть еще одна планета. Начались усиленные поиски, и вот в январе 1801 года Дж. Пиацци открыл объект, получивший название Цереры. Церера была первой среди множества мелких планет, составляющих так называемый пояс астероидов. Среднее расстояние от Цереры до Солнца оказалось равным 27,67, что очень хорошо согласовывалось со значением 28, отвечающим закону Тициуса— Боде. Затем была открыта малая планета Паллада, за ней последовали Юнона в 1804 году и Веста в 1807-м. Правда, среднее расстояние от Паллады до Солнца оказалось равным 26,70, что уже с большой натяжкой можно было согласовать с законом Тициуса — Боде. Объяснение не замедлило появиться. Цереру, Палладу, Юнону, Весту и другие открытые вслед за ними объекты было решено считать осколками ранее существовавшей и взорвавшейся по неизвестной причине большой планеты.Закон Тициуса — Боде переживал настоящий триумф. Шутка ли! Количество известных планет за столь небольшой промежуток времени увеличилось с шести до восьми (если, как уже говорилось, Цереру, Палладу, Юнону и Весту считать частями одной большой планеты), и обе новые планеты попали именно на те места, которые им предназначались законом Тициуса — Боде.Но продолжался этот триумф — увы! — недолго. Многочисленные наблюдения за поведением планеты Уран, а также за орбитами комет, в частности знаменитой кометы Галлея, с уверенностью говорили о том, что должна существовать по меньшей мере еще одна планета, расположенная за Ураном. Все попытки обнаружить эту планету там, где она должна быть согласно закону Тициуса — Боде, то есть на расстоянии 38,4 астрономической единицы от Солнца, не давали никакого результата. Такую планету несколько раз «находили», но тут же теряли. Кончилось тем, что Ж. Леверье, один из многих, кто проводил расчет, пользуясь в том числе и законом Тициуса — Боде, обратился к астроному И. Галле с личной просьбой поискать планету в определенном месте небосвода. В первую же ночь своих наблюдений 23 сентября 1846 года, И. Галле обнаружил планету почти в том самом месте, которое было предсказано.А вот все, что происходило дальше, нельзя назвать иначе, как иронией судьбы. Планета действительно была найдена и получила название Нептун, но, как показали расчеты, единственным параметром, согласующимся с вычислениями Ж- Леверье, оказалась ее истинная долгота на 1 января 1847 года. Для большой полуоси орбиты было получено значение 30,25 астрономической единицы, что уже ни с какими натяжками нельзя считать близким к величине 38,4, следующей из закона Тициуса— Боде. Окончательный удар по закону был нанесен после открытия в 1930 году планеты Плутон, среднее расстояние которой от Солнца составляет 39,5 астрономической единицы вместо 77,2, следующих из закона Тициуса — Боде.

СПАСАТЕЛИ

Ох, как не хотелось ученым отказываться от закона Тициуса — Боде! Особенно в начале XX века, когда появились первые результаты атомной физики. Подумать только! Атом не только по своему строению подобен солнечной системе, но и в том и в другом случае существуют законы (пусть различные), строго регламентирующие расстояния от центрального ядра до вращающихся вокруг него объектов. Последовали многочисленные попытки «спасти» закон Тициуса — Боде. Среди них заслуживает упоминания попытка М. Блэгг.В 1913 году мисс М. Блэгг составила математическую формулу, позволяющую вычислить средние расстояния от центрального небесного тела до вращающихся вокруг него других тел. Эта формула имеет лишь то общее с законом Тициуса — Боде, что она также представляет собой, правда, с известной натяжкой, геометрическую прогрессию. Знаменатель этой прогрессии не целый, кроме того, в формулу входят специальная поправочная функция и в общем случае четыре произвольные постоянные, также не целые величины. Формула проверялась для четырех систем: солнечной системы, а также систем спутников Юпитера, Сатурна и Урана. Совпадение получилось поистине великолепное, но — увы!,. Для каждой системы пришлось выбирать свои значения постоянных величин. Кроме того, формулу Блэгг в известном смысле постигла судьба первоначального закона Тициуса — Боде. Новые объекты по мере их открытия согласовывались с формулой значительно хуже, чем те, которые были известны к моменту создания формулы.Закон Тициуса — Боде и ныне продолжает будоражить умы астрономов и физиков. В последнее время их основные усилия направлены не столько на то, чтобы получать какую-то новую формулу, сколько на создание теории, из которой закон Тициуса — Боде вытекал бы естественным образом. Таких теорий предлагается в настоящее время три: электромагнитная, гравитационная и небулярная. Слова «электромагнитная» и «гравитационная» говорят сами за себя. Различные небулярные теории сводятся к изучению движения газовых туманностей с учетом гравитационных сил и внутреннего давления газа. Теорий много, но сказать что-нибудь определенное по поводу закона Тициуса — Боде мы пока не можем, хотя интерес к проблеме не убывает.

ЗАКОН СУРОВ, НО ЭТО ЗАКОН

«Закон суров, но это закон» — гласит древняя латинская пословица. Только что приведенный рассказ о приключениях закона Тициуса — Боде понадобился нам для того чтобы сформулировать один весьма важный для дальнейшего изложения вопрос: какими свойствами должно обладать некое утверждение, чтобы оно могло претендовать на звание физического закона или, иначе говоря, закона природы?Начнем с вопроса попроще: есть ли что-нибудь удивительное или даже попросту примечательное в том, что расстояния от Солнца до шести известных во времена И. Тициуса планет удовлетворяют, как это было обнаружено, некоторой математической формуле?Раздел математики, называемый теорией функции действительного переменного, учит нас, что всегда можно г конструировать функцию, проходящую через любое конечное число наперед заданных точек. Простейшей (в смысле способа получения) такой функцией является многочлен, порядок которого равен числу точек. Значит, какой бы совершенно случайный набор чисел мы ми взяли, всегда можно найти функцию, частными значениями которой оказались бы выбранные числа. Причем просим обратить внимание, что речь идет не о приближенных, а об абсолютно точных значениях чисел. Следовательно, мет ничего примечательного в том, что нашлась функция (в данном случае прогрессия), частными значениями которой оказались шесть данных чисел. Первоначальные восторги И. Тициуса оказываются явно неоправданными.Все сказанное в еще большей степени справедливо и для формулы М. Блэгг. У последовательного математика здесь могли бы возникнуть дополнительные соображения примерно такого рода. Для того чтобы заставить заданную функцию (необязательно многочлен) проходить через некоторое количество наперед заданных точек, вообще говоря, необходимо, чтобы эта функция зависела от такого же количества независимых постоянных, каково исходное число точек. Формула Блэгг зависит от четырех постоянных и удовлетворяется в случае солнечной системы для десяти точек (девять известных в настоящее время больших планет и пояс астероидов). Однако формула позволяет получить средние расстояния от Солнца до планет, хотя и с достаточно большой точностью, но все-таки приближенно.Для тех, кто любит рассуждать с математических позиций, мы можем прибавить, что функция, представляющая собой зависимость порядкового номера планеты от среднего расстояния ее от Солнца, — это весьма простая, так называемая монотонно возрастающая функция. Есть все основания предполагать, что если две монотонно возрастающие функции (имеется в виду истинная функция, выражающая зависимость среднего расстояния от Солнца от порядкового номера планеты, и функция Блэгг) совпадают в четырех точках, а именно этого добивалась мисс М. Блэгг, подбирая свои четыре постоянные, то они достаточно близки друг к другу на всем своем протяжении.Итак, нам остается еще раз повторить, что ни закон Тициуса — Боде, ни дальнейшие его модификации (в частности, формула Блэгг) абсолютно ничем не примечательны. С тем же успехом всегда можно найти математическую формулу, из которой можно было бы получить любой набор наперед заданных чисел.Следует оговориться, что все сказанное отнюдь не означает бесполезности усилий И. Тициуса, И. Боде и их последователей. Чтобы представить себе важность этих работ, приведем следующий пример. Для конструкторов самолетов и ракет, для пилотов, штурманов и многих других авиационных специалистов чрезвычайную важность представляют таблицы, описывающие зависимость таких параметров атмосферы, как давление, температура, плотность и тому подобных, например, от высоты. Таблицы эти весьма громоздкие, и поэтому огромную пользу приносят достаточно простые формулы, позволяющие вычислить, скажем, температуру воздуха на данной высоте. Но, конечно, никому не приходит в голову возводить эти формулы в ранг законов природы.Стоит, наверное, кратко сформулировать напрашивающийся вывод. Пусть имеется некоторый набор известных фактов и имеется утверждение (необязательно носящее количественный характер), из которого указанные факты следуют как частные случаи. Одного такого следования совершенно недостаточно, чтобы само утверждение можно было считать законом (природы), регламентирующим возникновение исходных фактов.Иное дело, когда некое утверждение позволяет предсказать факты, ранее неизвестные. Здесь положение резко меняется: нет никакой заслуги в том, чтобы построить функцию, проходящую, скажем, через двадцать любых наперед заданных точек. Но пройдет ли эта функция также и через двадцать первую точку, существование которой не было известно к моменту конструирования функции? Если такое произойдет, появляются все основания утверждать, что данная функция отражает некоторую внутреннюю закономерность, которой отвечает набор из двадцати одной точки.Именно поэтому серьезное внимание к закону Тициуса —- Боде было привлечено после того, как вновь открытая планета Уран оказалась именно там, где она должна была быть, следуя этому закону. Однако — увы! — на этом совпадения и кончились. Даже малые планеты: Цереру, Палладу и т. д. нельзя считать подтверждением закона Тициуса — Боде, поскольку предположение об их происхождении из одной большой планеты до сих пор всего лишь гипотеза. То же самое относится и к формуле Блэгг, поскольку при переходе от солнечной системы, например, к системе спутников Юпитера формулу пришлось «настраивать» заново.

ЧТО НАДО, ЧТОБЫ БЫТЬ ЗАКОНОМ!

Подведем итоги всему сказанному. Что же необходимо для того, чтобы некое утверждение могло претендовать на титул закона природы? Во-первых, все известные факты, относящиеся к некоторой системе, должны вытекать из этого утверждения как частные случаи (это требование, как говорят математики, необходимо, но недостаточно). Вторым важнейшим требованием является требование универсальности. Другими словами, частными случаями данного утверждения должны быть не только известные факты, но и вся совокупность фактов (известных и пока еще неизвестных), составляющих данную систему.История науки полна примерами краха различных физических теорий, не удовлетворивших второму требованию. Прекрасный пример приводится в книге известного венгерского математика Дж. Пойя «Математика и правдоподобные рассуждения». При поверхностном рассуждении, говорит Дж. Пойя, можно прийти к выводу, что все нечетные числа простые. Действительно, 1 — нечетное простое, 3 — нечетное простое, 5 — нечетное простое, 7 — нечетное простое. Может быть, достаточно? Хотите еще? 11 — нечетное простое, 13 — нечетное простое. Стоит, однако, дойти до 15 или вспомнить о пропущенном 9, как столь заманчивая теория разлетается в пух и прах.К утешению авторов подобных теорий можно сказать, правда, что во многих случаях именно подобные несовпадения служили толчком к появлению новых физических открытий.Наше рассмотрение было бы неполным, если бы мы не упомянули еще об одном требовании, сформулированном А. Эйнштейном. Чтобы физическая теория была верной, она должна обладать внутренним совершенством и внешним оправданием, говорил он. Внешнее оправдание — это как раз то, о чем говорилось до сих пор: соответствие системы всей без исключения совокупности фактов. А вот внутреннее совершенство? Внутреннее совершенство — это красота теории, которая чаще всего проявляется в ее простоте. С этой точки зрения закон Тициуса — Боде привлекал именно простотой. Но опять-таки никакая простота не поможет, если теория противоречит фактам.Наконец, самое последнее. И. Тициус был отнюдь не первым, кто после Пифагора увлекался гармонией сфер. Среди тех, кто занимался этим значительно раньше, следует упомянуть И. Кеплера и нашего знакомого Б. Паскаля. И тот и другой пытались обосновать гармонию сфер путем геометрических построений. В частности, по Паскалю, последовательность сфер, в которых лежат орбиты планет, можно получить, если брать сферы, описанные вокруг правильных многогранников, и каждую такую сферу, в свою очередь, рассматривать как вписанную в более сложный правильный многогранник. Эти законы также неверны, но с точки зрения внутреннего совершенства они, наверное, превосходят закон Тициуса — Боде, с которым мы прощаемся на сей раз уже навсегда.

ЕЩЕ ОДНО ПРЕДСКАЗАНИЕ

Мы привели здесь историю с законом Тициуса — Боде главным образом для того, чтобы показать, что далеко не всякая попытка подогнать математическое соотношение под известные экспериментальные данные заканчивалась неудачей. Лучшим примером тому может служить открытие М. Планка.В 90-х годах прошлого века возникла руководимая В. Оствальдом школа «энергетиков», которые провозгласили, что закон энергии является достаточной основой для того, чтобы вывести из него всю физику и химию. Критикуя В. Оствальда, В.И.Ленин писал: «Энергетическая физика есть источник новых идеалистических попыток мыслить движение без материи — по случаю разложения считавшихся дотоле неразложимыми частиц материи и открытия дотоле невиданных форм материального движения».Л. Больцман оказался вовлеченным в острую дискуссию с этой группой. М. Планк поддержал его в статье, вышедшей в 1896 году. В ней впервые обнаружился полемический дар М. Планка;В. Оствальд различал три вида энергии соответственно трем измерениям пространства: зависящую от расстояния, поверхностную и объемную. М. Планк ответил, что есть случаи, где не существует объемной, в смысле Оствальда, энергии, как, например, в случае идеального газа. Его энергия зависит лишь от температуры, а вовсе не от объема. Другим пунктом разногласия была несостоятельность энергетической школы в понимании второго закона термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса. Они сравнивали поток энергии от более высокого уровня температуры к более низкому с падением груза, не принимая в расчет необратимость процесса. Эта искусственная аналогия была отвергнута М. Планком.Хотя принцип сохранения энергии был верен и для М. Планка являлся основным, он ясно понимал, что только одного этого принципа недостаточно для построения механики и что необходим значительно более универсальный принцип, такой, как принцип наименьшего действия. В термодинамике М. Планк защищал различие между обратимыми и необратимыми процессами, введенное Р. Клаузиусом. В автобиографии М. Планк жалуется, что в этом случае, как и во множестве других, он не добился успеха и не переубедил коллег с помощью доводов, которые представлялись ему хотя и теоретическими, но совершенно обоснованными. В действительности же поражение энергетической школе в конце концов нанесла атомистическая теория Л. Больцмана, которую в то время М. Планк не принимал безоговорочно.Исследования Л. Больцмана по кинетической теории газов провели его к введению некоторой величины Я, зависящей от распределения молекул по скоростям, которая, как он смог доказать, непрерывно уменьшалась со временем. Считая, что Я — это то же самое, что и энтропия — он дал кинетическое объяснение второго закона термодинамики: Эта атомистическая концепция необратимости произвела глубокое впечатление на физиков и стала общепринятой.М. Планк подчеркивает, что вначале он не только был безразличен, но иной раз даже сомневался в правильности статистического подхода Л. Больцмана. Причина в том, что М, Планк рассматривал закон возрастания энтропии как общий и свободный от ограничений, подобно закону сохранения энергии, в то время как в теории Больцмана этот закон выступал только как вероятностный: величина Я могла иной раз возрастать, а энтропия при этом — уменьшаться.Стоит обратить внимание, что Л. Больцман первоначально рассматривал именно информацию, не вводя, правда, такого понятия. Энтропия, по Болыщану, представляла собой всего лишь информацию, взятую с обратным знаком. Примечательно также, что М. Планк сразу выразил сомнение в вероятностном характере закона неубывания энтропии. Аналогичными сомнениями мы поделились с читателями в предыдущей главе.

ПРОБЛЕМА ЧЕРНОГО ТЕЛА

Вплотную занимаясь термодинамикой, М. Планк не мог не заинтересоваться так называемой проблемой черного тела. Собственно говоря, в те времена ученые и не видели здесь особой проблемы. Идеально черным телом тогда, как и сегодня, называют отверстие, ведущее в полость с идеально отражающими внутренними стенками. Всякая порция излучения, попадающая через отверстие в такую полость, испытывает многократные отражения от стенок и практически уже никогда не выходит наружу.Будучи заполненной нагретыми до определенной температуры телами, полость излучает. Нормально устанавливается равновесие между поглощением и излучением. М.
– Планк показал, что равновесие устанавливается в течение времени, за которое все тела (заполняющие полость) приобретают одну и ту же температуру, и излучение по своим свойствам, включая спектральное распределение (количество энергии), приходящееся на данный интервал длин волн излучений, не зависит от тел, а только от температуры.Этот так называемый нормальный спектр является, следовательно, чем-то «абсолютным» и поэтому чрезвычайно привлекательным для М. Планка, философский склад ума которого стремился исследовать абсолютное.Все только что сказанное находилось в полном соответствии с тогдашними физическими представлениями. Единственная неприятность состояла в том, что- ученым никак не удавалось вывести математическую зависимость между длиной волны излучения, его энергией и температурой. Особого беспокойства ученые по этому поводу не испытывали, и все-таки это было неприятно. В конце прошлого века величественное здание физики представлялось достроенным до конца. Все известные к тому времени явления нашли свое объяснение в рамках теорий Ньютона, Максвелла и Больцмана. И отсутствие лишь математического описания столь простого, казалось бы, факта вносило своеобразный диссонанс.

КОТОРЫй ИЗ ДВУХ!

Основным описанием зависимости между энергией, частотой и температурой служил тогда так называемый закон Вина, устанавливающий экспоненциальную зависимость от некой величины, пропорциональной частоте, деленной на температуру. Но чем больше накапливалось экспериментальных данных, тем яснее становилось, что закон излучения Вина, хотя и вполне удовлетворительный для коротких волн и низких температур, не согласуется с экспериментальными данными для длинных волн и высоких температур.В то же время хорошее согласование с экспериментом именно в области длинных волн и высоких температур давал другой закон, так называемый закон Релея — Джинса, устанавливающий простую пропорциональную зависимость между количеством! энергии, приходящейся на данный частотный интервал, и температурой. Понятно, что два различных закона для одного и того же явления — это гораздо хуже, чем ни одного.Размышляя над проблемой излучения черного тела, М. Планк сразу понял, что исследовать надо равновесное состояние. А равновесное состояние достигается тогда, когда энтропия максимальна. Чтобы определить максимум, нужно дважды продифференцировать соответствующую зависимость. М. Планк и проделал это. Но поскольку существовало два закона, он опять-таки получил две различные формулы. Казалось бы, дело ничуть не двинулось вперед. Однако вот тут-то и проявилось то, что можно назвать гениальной интуицией ученого. Он просто взял и сложил обе формулы. Известный физик М. Борн писал по этому поводу:«Это сложение оказалось одной из наиболее важных и значительных интерполяций за всю историю физики; так обнаружилась почти сверхъестественная физическая интуиция Планка. Пятью годами позже все это стало заметно понятнее и интереснее, благодаря интерпретации Эйнштейна, данной в той же статье, в которой он связал закон Планка с фотоэффектом. Эйнштейн заметил, что величина, обратная второй производной энтропии по энергии, имеет простой физический смысл — это среднее квадратичное флюктуации энергии, а хорошо известно, что средние квадратичные флюктуации обладают свойством аддитивности, если они вызываются независимыми причинами. Этот аргумент был использован Эйнштейном для указания на независимое существование световых квантов».Свою формулу для излучений М. Планк доложил в Берлинском физическом обществе 19 октября 1900 года. Он рассказывал, что на следующее утро один из его коллег пришел к нему и сообщил, что в ночь после заседания он сравнил формулу Планка со своими измерениями и обнаружил всюду удовлетворительные результаты. Другие ученые, также занимавшиеся экспериментальными исследованиями излучения черного тела, О. Люммер и Н. Прингсгейм, вначале считали, что отклонения были, но вскоре обнаружили, что это вызвано ошибкой в расчете. Впоследствии было проведено много опытов для проверки формулы Планка, и их результаты доказали, что по мере улучшения методов измерения достигается все более полное совпадение теоретических и экспериментальных данных.