Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

С момента возникновения теоретического мышления в истории че­ловеческих представлений о природе постоянно соперничали две концепции, два общих объяснительных подхода.

Первая из них, корпускулярная («корпускула» означает «части­ца»), основана на представлении о том, что все на свете состоит из мельчайших частиц, атомов (в перев. с греч. атом— «неделимый»), движущихся в пустоте.

Реальность атомов была доказана совсем недавно. Еще в начале XX в. выдающийся физик Эрнст Мах каждого, кто на заседании его семинара заговаривал об атомах, прерывал вопросом: «А сами-то вы видели хотя бы один атом?», давая понять, что считает их недоказан­ной гипотезой. Однако первые атомисты (Левкипп, Демокрит, Эпи­кур) появились еще в Древней Греции. Древнеримский поэт и фи­лософ Лукреций Кар, исходя из понимания мира как движущихся атомов, в своей поэме «О природе вещей» дал объяснение множеству природных явлений: белье сохнет потому, что от него отрываются атомы воды, каменные ступени стираются подошвами людей, унося­щих на них атомы камня. Он считал свет потоком корпускул и пра­вильно объяснял зрение действием на глаза атомов, летящих от всех тел (до него бытовало представление, что глаз осязает окружающее с помощью неких щупалец). Лукреций понимал относительность дви­жения; за шестнадцать столетий до Галилея он, споря с Аристотелем, объяснил меньшую скорость падения легких тел по сравнению с бо­лее тяжелыми сопротивлением воздуха и заключил отсюда, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро, — и все это исхо­дя из атомистической гипотезы, которая в то время не могла не быть чисто умозрительной! Недаром выдающийся физик XX в. Ричард

Фейнман говорил, что из всевозможных коротких предложений наи­большую информацию об окружающем мире несет фраза: «Всё со­стоит из атомов».

Вторая концепция, континуальная («континуальный» означает «непрерывный, без разрывов или неоднородностей»), исходит из представления о том, что основой вещей является некая непрерыв­ная, бесконечно делимая субстанция, не имеющая определенных гра­ниц и заполняющая Вселенную без пустот.

Несмотря на большую трудность для понимания (а может быть, именно поэтому) континуальная концепция была более популяр­на среди древнегреческих мыслителей, чем атомистическая: Фалес учил, что все состоит из единой непрерывной субстанции — воды, Парменид доказывал теоремы о том, что бытие не имеет частей, т. е. непрерывно, Эмпедокл ввел представление о четырех стихиях, каж­дая из которых опять-таки делима бесконечно... Правда, хитроумный Зенон Элейский в своих апориях продемонстрировал, что представ­ление о непрерывности имеет внутренние противоречия. Например, можно ли бесконечно делить на части отрезок прямой? Если да, то в конце концов он будет разбит на точки, не имеющие протяженности. Но из непротяженных точек нельзя вновь составить протяженный отрезок: сумма любого числа нулей есть нуль! Если же точка имеет протяженность, пусть даже малую, то, сложив все бесконечное коли­чество точек отрезка, мы получим бесконечную прямую.

Несмотря на сомнения, посеянные Зеноном, в античной натур­философии континуальная концепция возобладала прежде всего бла­годаря авторитету Аристотеля, который считал основой вещей не­прерывную, бесконечно делимую материю. Непрерывное, по Аристо­телю, устроено таким образом, что любой сколь угодно малый его элемент пересекается с соседними элементами. Это делает немысли­мым разбиение отрезка конечной длины на непротяженные точки и снимает многие противоречия непрерывности, указанные Зеноном. Непрерывная по протяженности величина — пространство. Время — величина, непрерывная по последовательности: «теперь» пересекает­ся с прошлым и с будущим одновременно.

Споры между атомистами и сторонниками представлений о не­прерывности и бесконечной делимости материи стали одной из ос­новных движущих сил развития картины мира. В конце концов ока­залось, что дискретность («дискретный» — прерывный, состоящий из отдельных частей) и непрерывность являются не взаимоисклю­чающими, а взаимодополняющими атрибутами материи.

90 Глава 3. Концепция дополнительности

3.2. Корпускулярно-волновой дуализм 91

3.2. Корпускулярно-волновой дуализм

Важной вехой в развитии представлений о природе света стали рабо- ты Ньютона, который был прекрасным оптиком. Кстати, он был при- нят в Королевское общество (аналог нашей Академии наук; точнее,-Академия наук — аналог Королевского общества, поскольку на 64 года моложе) отнюдь не за создание механики, а за создание миниатюрного (15 см в длину), но мощного зеркального телескопа.

В механической картине мира все сводится к механическому перемещению тел. Соответственно Ньютон считал, что свет представ-ляет собой поток корпускул, движущихся с огромной скоростью — отсюда прямолинейность световых лучей. Больших успехов на этом j, пути достигнуть не удалось, но авторитет механики был настолько! велик, что корпускулярные представления о природе света преобла­дали вплоть до XIX в.

Постепенно накапливались экспериментальные факты, которые невозможно было уложить в рамки корпускулярной теории. Были открыты явления интерференции (при котором два световых пучка могут не только усиливать, но и гасить друг друга) и дифракции (огибание светом препятствий). В начале XIX в. французский физик О. Френель представил математическую теорию оптических явле­ний, основанную на представлениях современника Ньютона, X. Гюйгенса о том, что свет представляет собой волну, т. е. распространя­ющиеся колебания.

Первую проверку волновая теория Френеля выдержала, когда он докладывал ее на заседании Парижской академии наук. Один из ака­демиков («бессмертных» — так они называли себя), Пуассон, быстро поняв суть теории, заявил, что она должна быть отвергнута, посколь­ку приводит к абсурдным заключениям. Он продемонстрировал вы­кладки, из которых следовало, что если теория верна, то в самом центре тени от круглого препятствия должно наблюдаться светлое пятно. Однако другой академик, Араго, будучи экспериментатором, решил все-таки проверить этот вывод. Придя с заседания, он тут же поставил несложный опыт и с изумлением обнаружил, что в центре тени действительно есть неяркое светлое пятно! По иронии судьбы, оно стало известно как «пятно Пуассона», а представления о волно­вой природе света одержали полную победу. В 70-х гг. XIX в. Макс­велл и Герц выяснили, что же именно колеблется в световой волне: электрическое и магнитное поля. Свет оказался электромагнитной волной.

Однако в 1887 г. А. Г. Столетов открыл явление, которое никак не вписывалось уже в волновую теорию: внешний фотоэффект, т. е. вы­бивание светом электронов из металла. Он установил, что ни энергия вылетающих частиц, ни сама возможность вылета не зависят от ин­тенсивности света, а только от его длины волны. Самый слабый си­ний свет вызывает фотоэффект, а мощным красным пучком можно металл хоть расплавить, но фотоэффект так и не появится! По той же причине фотобумага не засвечивается красной лампой.

С точки зрения волновой теории причина фотоэффекта заключа­ется в том, что колебания электрического поля в световой волне за­ставляют колебаться электроны в металле. Чем больше интенсивность света, тем сильнее колебания электрического поля в световой волне, тем больше амплитуда вызываемых ею колебаний электронов и тем легче должно быть им вырваться из металла. Однако эксперимент упрямо говорил, что важна не интенсивность, а длина волны света.

Почти двадцать лет законы фотоэффекта ставили физиков в ту­пик, пока в 1905 г. Эйнштейн не показал, что они получают элемен­тарное объяснение, если предположить, что свет представляет собой совокупность частиц (фотонов), энергия которых обратно пропор­циональна длине волны света. Энергия «красного» (длинноволново­го) фотона слишком мала, чтобы выбить электрон, а энергии «синего» (коротковолнового) хватает с запасом. Интенсивность же светового луча определяется числом фотонов в нем и не влияет на способность каждого отдельного фотона вызывать фотоэффект. Именно за эту ра­боту, а не за теорию относительности, Эйнштейн получил Нобелев­скую премию. Другой нобелевский лауреат, Макс Планк, выяснил, что без представлений о световых квантах, фотонах, невозможно объ­яснить законы теплового излучения (п. 4.6.1).

Так что же такое свет на самом деле: волна или поток корпускул? Прежде чем ответить, расскажем такую притчу.

Жил некогда просвещенный властитель, покровитель наук. И со­брал он при своем дворе семь знаменитейших мудрецов своего вре­мени, но все они были слепые. И прослышали как-то мудрецы о странном животном по имени «слон» и попросили владыку доста­вить им один экземпляр для исследования. Желание мудрецов было исполнено, и начали они ощупывать слона. Одному попался в руки хобот, другому хвост, третьему бивень, четвертому нога, пятому ухо... Затем мудрецы устроили симпозиум, на котором каждый выступил с докладом «О свойствах слона». Первый докладчик сказал: слон — длинный, мягкий и пустой внутри. Второй уточнил: слон действи-

92 Глава 3. Концепция дополнительности

тельно длинный и гибкий, но не пустой, а внутри у него твердые косточки. Третий высмеял первых двух, объявив, что слон твердый и острый. Четвертый сравнил слона со столбом, пятый — с простыней…Кто же из мудрецов был прав? Ясно, что полностью — никто, не каждый прав по-своему. Слон, действительно, и шланг, и веревка, и столб. Все зависит от того, с какой стороны к нему подойти.

Аналогичным образом материальный объект, называемый «свет»

есть образование сложное, не укладывающееся полностью ни в одну
из простых моделей (п. 1.7.3): «корпускула» или «волна». Свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, но проявляет ли­бо те, либо другие в зависимости от ситуации.Такой же двойственностью, корпускулярно -волновым дуализмом,
обладает, как выяснилось, не только свет. Спустя два года после объяснения фотоэффекта Эйнштейн показал, что некоторые непонятные свойства теплоемкости твердых тел при низких температурах легко объяснить, предположив, что колебания атомов можно рас­сматривать не только как звуковые волны, но и как коллектив час­тиц — фононов. С другой стороны, в 1927 г. было экспериментально установлено наличие волновых свойств у такой классической частицы, как электрон. В настоящее время нет сомнений в том, что волновые свойства присущи любой элементарной частице и вообще любо­му телу.

Корпускулярно-волновой дуализм — это всеобщее свойство мате­риальных объектов, заключающееся в том, что поведение одного и того же объекта в разных ситуациях или в разных отношениях мо­жет описываться как моделью волны, так и моделью частицы иАи совокупности частиц.