Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления
В этом случае как-то особо резко проявилось различное отношение ученых к теории. Ведь существует целый ряд физиков, которые склонны благодаря своему внутреннему консерватизму видеть в уже хорошо освоенных ими теориях нечто незыблемое и постоянное. Любопытно отметить, что это отношение к теории распространено гораздо больше на континенте, чем в Англии. Большинство ведущих английских ученых обычно отличается тем, что они главное значение придают эксперименту, рассматривая теорию как вспомогательное орудие. Более ста сорока лет тому назад еще Дэви сказал, что «один хороший эксперимент стоит больше изобретательности ньютоновского ума»[ 1 ] . Эта фраза часто повторяется и по сей день. Любили ее цитировать такие современные ученые, как Дж. Дж. Томсон, Резерфорд. Ее надо рассматривать, конечно, как гиперболу, как лозунг протеста против обожествления теории. Любопытно, что противоречие Рэлея — Джинса получило в Германии название «катастрофы Джинса — Рэлея»— этим эпитетом как бы оттенялся роковой характер для теории этого замечательного научного противоречия.
Мы знаем, результат этой «катастрофы» был чрезвычайно плодотворен для науки. Из нее родилась теория квантов. Ее и надо считать для развития современной физики после атомизма вторым по своей значительности теоретическим воззрением. Если бы всякая катастрофа вела к таким крупным благотворным последствиям, как эта, то мы могли бы только пожелать, чтобы таких «катастроф» было больше. История показывает, что наука по-настоящему двигается вперед, главным образом, подобными «катастрофами» малого и великого порядка.
Как многим из вас, наверное, известно, первым нашел выход из этого тупика Планк. Выход был прост и на первой стадии показался большинству чисто формальным. Несколько преобразовав классическую формулу излучения, введя новую постоянную, Планк показал, что отсутствие равновесия между веществом и излучением можно было устранить. Но понять настоящий глубокий и универсальный смысл этой постоянной, носящей по сей день имя Планка, удалось несколько позже. Физика обязана этим Эйнштейну — он первый понял фундаментальное значение открытия Планка и дал ему более общее физическое толкование, которое носит название закона Эйнштейна. Мне кажется, что по своим практическим последствиям для развития науки эта замечательнейшая работа Эйнштейна сыграла значительно большую роль, чем его знаменитая теория относительности.
От этих работ начала успешно развиваться теория квантов. Идеи теории квантов в самой общей форме можно описать так: происходящие в природе процессы надо рассматривать, не как прежде предполагалось, протекающими непрерывно, но происходит последовательная смена элементарных состояний, в которых только и может устойчиво находиться материя, принимающая участие в процессах в природе.
Мы считаем теперь, что в природе процессы протекают прерывным образом, напоминая этим как бы атомное распределение массы в веществе. Может быть, теперь это нам кажется не так неожиданно, как это было вначале.
В самом деле, не только теоретически, но за последние годы и экспериментально, между энергией и массой поставлен знак равенства — они могут переходить друг в друга. Если же вещество в природе встречается только в дискретных массах, такую же прерывность естественно ожидать и в энергетических процессах. Это, конечно, нельзя рассматривать как доказательство, но во всяком случае это указывает, что такая связь вполне естественна.
Как известно, на первой же своей стадии развития, главным образом, благодаря идеям Бора, квантовая теория была чрезвычайно плодотворной при изучении атома. Строение и свойства атома мы знаем сейчас исключительно полно. Процессы лучеиспускания электронной оболочки атома описываются до больших деталей чрезвычайно точно.
Именно, главным образом, разработка физики атома и привела к тому значительному развитию квантовой теории и к тем замечательным ее обобщениям, которые были даны Шредингером, Гейзенбергом и Дираком.
Интересно отметить, что математический аппарат, к которому привело квантовое описание процессов в природе, испытал значительное упрощение. Если бы нам пришлось, например, изучать такую систему, как атом, которая состоит из ядра, вокруг которого движется большое число электронов, теми приемами, какими мы пользуемся в небесной механике, то это привело бы к большим математическим трудностям, чем те, с которыми мы сталкиваемся сейчас.
Но несмотря на все эти успехи, было бы ошибочно думать, что квантовая теория закончена и не будет развиваться дальше. Тут может и должно быть большое развитие, и мы можем ждать даже фундаментальных изменений в наших основных представлениях.
Если мы хотим искать новые противоречия в природе, нам надо интересоваться как раз теми областями физики, в которых эти квантовые воззрения будут подвергаться наиболее основательному испытанию. С этой точки зрения, мне лично кажется, нам надо, главным образом, сосредоточиться на тех областях физики, где квантовые явления наименее изучены и поняты. Экспериментальному материалу изучения свойств атома мы обязаны созданием теории квантов, и он на сегодняшний день в основном исчерпан. Наиболее же интересны следующие две области физики.
Первая — это область атомного ядра. В ядре мы имеем элементарные частицы, расположенные на таких близких расстояниях друг от друга, что можно ожидать, что те законы, которые были выведены для больших расстояний между ними, как это происходит в оболочке атома, могут оказаться полностью себя не оправдавшими. Поэтому есть большая вероятность ожидать, что для ядерной физики теория квантов сегодняшнего дня потребует основательного развития.
Вторая область — это область изучения конденсированного состояния. По своей общности основные идеи квантовой теории, конечно, должны покрывать явления, происходящие в окружающих нас веществах, где атомы и молекулы, взаимодействуя между собой, образуют газы, жидкости и твердые тела. Но оказывается, когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа процессов не может обычно выявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы. Это также, как если бы на качающемся в море корабле мы вздумали изучать на биллиардном столе законы соударений шаров. Очевидно, эта затея осуществима только тогда, когда море спокойно. Так и при изучении квантовой природы явлений течения процессов, происходящих в конденсированном состоянии. Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало. Отсюда очевиден тот большой интерес в физике к изучению явлений в веществе при очень низких температурах — той области явлений при температуре жидкого гелия, о которой я буду рассказывать.
Чтобы более конкретно иллюстрировать эту мысль, позвольте показать вам очень простой опыт (см. рисунок). Хотя это только грубая иллюстрация сказанного, но, я думаю, она позволяет тем из вас, кто не привык к представлениям о тепловом движении, несколько более конкретно его себе представить. В проекционный фонарь вставлена рамка 1, в которой между двумя параллельными стеклами положено несколько десятков шариков от велосипедных подшипников. На рисунке они видны в виде черных кружочков. Эта рамка подвешена на ряде пружинок 2 к другой рамке 3 так, что может колебаться в своей собственной плоскости.
Посредством шатуна 4 и кривошипа 5, сидящих на оси маленького электромотора 6, рамку можно заставить совершать горизонтальные колебания. При этом, как вы видите, шарики начнут бегать между стеклами. Их движение напоминает собой движение атомов при тепловом возбуждении. Чем быстрее мы заставляем колебаться рамку, тем скорее бегают шарики, и тем картина движения ближе соответствует более высокой температуре.
Теперь обратите внимание на некоторую деталь в конструкции рамки. В нижней ее части поставлен ряд перегородок 7, отделяющих от общего пространства шесть ямок. При небольших колебаниях рамки шарики, заключенные в каждой ямке, бегают только в них, и их движение не сказывается на движении шариков в соседних ямках. Это состояние изображено на верхнем рисунке. При быстром движении рамки, т. е. как бы при высокой температуре, мы получаем картину, изображенную на нижнем рисунке. Траектории шариков заполняют при своем движении всю рамку, и присутствие перегородок, образующих ячейки, как бы совсем не сказывается на этом движении.
Предположим теперь, что перед нами стоит обратная задача — обнаружить по движению шариков существование этих ямок, стенки которых были бы сделаны из прозрачного, невидимого материала. Очевидно, что мы могли бы это сделать, только изучая движение при малых колебаниях или покачиваниях рамки, т. е. при низкой температуре.
