Роберт Оппенгеймер, Нильс Бор, Отто Фриш, Энрико Ферми, Джон фон Нейман и др

Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями

О. Фриш

Открытие деления ядер

Успехи, ошибки и явные неудачи нескольких ученых из различных стран придали своеобразный колорит начальному периоду изучения деления ядер. Удачное сочетание пытливой мысли и счастливого случая превратило эту волнующую идею в реальность.

Это начиналось так

В 1932 г. был открыт нейтрон. Почему, спрашивается, прошло семь лет, прежде чем было обнаружено деление ядер? Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов. Почему же так долго не могли открыть деление ядер? Для ответа на этот вопрос лучше всего рассмотреть ситуацию в Европе с точки зрения физика-экспериментатора.

Исследования в Европе

В Европе было несколько лабораторий, занимавшихся ядерной физикой, но я думаю, что термин «группа» не успел еще войти в научный обиход. В то время наука развивалась благодаря разрозненным усилиям отдельных ученых, каждый из которых работал только с одним или двумя студентами и ассистентами.

В Париже имелось несколько лабораторий из числа самых активных исследовательских учреждений в Европе. Здесь была открыта радиоактивность. В Париже работала Мария Кюри (до самой кончины в 1934 г.). Ее влияние было огромным. В то время техника измерений – ионизационные камеры и электрометры – была совсем проста, та же, что и на рубеже двух столетий. Этого было вполне достаточно при измерении естественной радиоактивности элементов, но такое оборудование совершенно не отвечало требованиям, которые возникали при выполнении многих работ, посвященных исследованию деления ядер. К теории Мария Кюри относилась без особого уважения. Однажды, когда один из ее студентов, предлагая эксперимент, добавил, что физики-теоретики уверены в том, что он будет успешным, она ответила: «Это не важно, мы поставили бы этот опыт в любом случае». Возможно, из-за такого отношения к теории в этой лаборатории не открыли нейтрон.

Вторым местом, представляющим интерес, был Кембридж. Эрнесту Резерфорду, который стоит за всеми исследованиями, выполненными в Кембридже, удалось расщепить в 1919 г. атомное ядро. С 1909 г. он с особым интересом занимался вопросами обнаружения и счета отдельных ядерных частиц. Им впервые был введен сцинтилляционный метод, который был его любимым детищем. Главные достоинства работ Резерфорда заключались в простоте и безыскусственности применяемых им методов; этим можно объяснить то недоверие, с которым он относился к сложным приборам. Даже в 1932 г., когда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон впервые расщепили ядро с помощью искусственно ускоренных протонов, для регистрации была использована сцинтилляционная методика. К этому времени Резерфорд понял необходимость развития электронных методов счета частиц. Причиной этого явились очевидные недостатки сцинтилляционного метода: он оказался непригодным как при очень больших, так и при очень малых скоростях счета, а его надежность оставляла желать лучшего. Эти недостатки еще более заметны, если вспомнить о результатах, полученных в третьей лаборатории, а именно в венской.

В Вене начиналась моя деятельность. В то время это место было enfant terrible ядерной физики. Например, некоторые физики там утверждали, что не только азот и еще одно или два легких ядра, но практически каждое из легких ядер может быть расщеплено α-частицами и при этом вылетает значительно большее количество протонов, чем то, которое до сих пор удалось наблюдать. Я до сих пор не понимаю, как они могли прийти к таким ошибочным заключениям. Очевидно, они заставили вести подсчет числа сцинтилляций студентов, которым ничего не говорилось о предполагаемом числе отсчетов. На первый взгляд такая методика измерений кажется весьма объективной, потому что студенты свободны от каких бы то ни было предубеждений. Однако у них быстро выявилась тенденция в пользу больших чисел, так как они чувствовали, что заслужат одобрение, если обнаружат много частиц. Вполне вероятно, что неверные результаты были получены как в силу такой тенденции, так и вследствие некритического отношения к собственным результатам и желания во что бы то ни стало победить англичан.

Я хорошо помню, как в момент моего отъезда из Вены (после того как мне удалось избежать обычной участи студентов – подсчета числа сцинтилляций) мой руководитель, Карл Пшибрам, сказал мне унылым голосом: «Не сомневаюсь, что Вы скажете „им“ в Берлине, что мы вовсе не так плохи, как они о нас думают». Убедить «их» мне не удалось.

В Германии исследования по ядерной физике велись в нескольких местах. Группа Отто Гана и Лизе Мейтнер (это была одна их первых групп, где начали изучать радиоактивные элементы) к этому времени разделилась на две группы, проводившие независимые исследования. Ган работал над различными приложениями радиоактивности для изучения химических реакций, структуры осадков и аналогичных явлений; Лизе Мейтнер использовала радиоактивные материалы в основном для изучения процессов β- и γ-излучения и взаимодействий γ-лучей с веществом.

Кроме того, в Германии работал Ганс Гейгер. Еще до 1909 г. в дни, предшествовавшие открытию ядра, он работал у Резерфорда. Резерфорд чувствовал ненадежность сцинтилляционного метода и попросил Гейгера разработать для проверки этого метода электрический счетчик. Но как только Резерфорд увидел, что эти два метода дают один и тот же результат, он вернулся к сцинтилляционной методике, которая казалась ему более простой и надежной, если применять ее с соответствующими мерами предосторожности. Гейгер, возвратившись в Германию, продолжал улучшать электрические счетчики и в 1928 г. вместе с В. Мюллером разработал счетчик для регистрации β-лучей. Ранее созданные счетчики были непригодны для этой цели, а регистрировать β-лучи сцинтилляционным методом нельзя было. Однако и новые счетчики никак нельзя было назвать быстродействующими, так как разряд между центральным электродом и цилиндрической оболочкой гасился на большом сопротивлении (многомегомном), включенном в цепь; соответственно скорость счета была ненамного больше, чем у сцинтилляционного метода. Даже при нескольких сотнях частиц в минуту необходимы были существенные поправки.

Вальтер Боте первым применил метод совпадений, как при попытках исследовать некоторые характеристики космических лучей, так и для измерения энергии γ-лучей по образовавшимся вторичным электронам. Фактически это был первый надежный метод измерения энергии слабого γ-излучения.

До 1932 г. единственными источниками, применявшимися для расщепления атомного ядра, были элементы, обладающие естественной α-радиоактивностью. К ним относились: полоний, достать который было очень трудно (практически весь его запас был в Париже), и один из короткоживущих продуктов распада радия. Хотя последний получался без примесей, он обладал малым временем жизни и давал сильное γ-излучение.

Год открытий

В 1932 г., который с полным правом можно назвать «годом чудес», был открыт нейтрон и, кроме того, произошли два других важнейших события. В США Эрнест О. Лоуренс запустил первый циклотрон, перспективы которого казались многообещающими, а в Англии Кокрофт и Уолтон построили первый ускоритель протонов, которые были способны расщеплять ядра. Нет необходимости говорить, что эти машины положили начало огромному скачку в развитии ядерной физики. Большинство физиков, занимавшихся ядром, впоследствии не могли обойтись по крайней мере без одного из этих двух инструментов для исследования ядра. Однако самое интересное заключается в том, что оба эти прибора практически не смогли указать тот путь, который привел к открытию деления ядер.

Я не хочу очень подробно останавливаться на истории открытия нейтрона, потому что этому было посвящено несколько интересных лекций на Конгрессе по истории науки, состоявшемся в 1962 г. в Итаке (штат Нью-Йорк). В опубликованном сборнике трудов этого конгресса есть интересные доклады Нормана Фэзера и сэра Джеймса Чадвика. Там сказано, что открытие нейтрона в Кембридже было не просто удачей, которая может выпасть на долю каждого исследователя, а явилось результатом поисков нейтрона, проводившихся в Кембридже (несмотря на ошибочные теоретические идеи). Это открытие окрылило ученых Кембриджа. Они обнаружили важное явление, которое могло бы остаться незамеченным. X. К. Вебстер нашел, что интенсивность странных проникающих лучей, испускаемых бериллием при облучении его α-частицами, была больше в направлении движения падающих α-частиц, чем в противоположном. Этот результат был абсолютно непонятен, если бы испускались γ-лучи, как думали в то время. Даже французские физики Кюри и Жолио разделяли эту точку зрения, которая существенно подкреплялась всеми теоретическими предсказаниями. Затем эксперименты Чадвика ясно показали, что мистическое излучение состоит из частиц с массой, приблизительно равной массе протона. Возникло некоторое замешательство, так как Энрико Ферми и Вольфганг Паули уже назвали «нейтроном» частицу, позже переименованную в «нейтрино».

Конечно, после открытия нейтронов интерес к ним заметно возрос, но никто не знал, что именно надо делать. Нейтроны, в конце концов, были вторичными продуктами расщепления ядер, число их было невелико. Выход нейтронов был мал, так как для облучения использовались элементы с естественной α-радиоактивностью.

Кроме того, одним из главных детекторов была камера Вильсона, с помощью которой удается обнаружить лишь незначительное число реакций, в которых участвует нейтрон. Это довольно утомительно – пытаться восстановить истинную картину по нескольким детектированным трекам ядер отдачи.

Лео Сциллард однажды в шутку сказал, что если мужчина совершает какой-нибудь неожиданный поступок, то за этим кроется женщина, ну а если в атомном ядре внезапно что-то произошло, то в этом чаще всего виноват нейтрон.

Электронная методика счета тогда только развивалась. Основным поводом для ее развития послужили неверные результаты, полученные в Вене; оказалось, что никто не мог их подтвердить. Поэтому необходимость разработки электронных счетчиков и усилителей стала очевидной. Венские ученые сами начали вести работы в этом направлении, но без особого успеха. Некоторые результаты были получены Германом Грейнахером в Швейцарии.

Однако, как я думаю, путь, который привел к созданию хороших счетчиков, был найден в Англии Чарльзом Вином-Вильямсом, использовавшим для изготовления электронных счетчиков хорошую защиту, электронные лампы с низким уровнем шумов и т. д. Тем не менее эти счетчики – хотя они и были использованы с большим успехом Чадвиком в опытах с нейтронами – обладали высоким уровнем шумов, что мешало их более широкому применению.

Искусственная радиоактивность

По-настоящему все пришло в движение в 1934 г., когда Кюри и Жолио открыли искусственную радиоактивность. Я думаю, что они должны были быть очень счастливы, так как им удалось наверстать то, что они упустили при открытии нейтрона. Эти открытия разделяют два года; они были сделаны чуть ли не в один и тот же день в середине января. За много месяцев до этого Кюри и Жолио знали, что алюминий, облучаемый α-частицами, излучает позитроны, но им никогда не приходило в голову, что здесь может играть какую- то роль процесс распада. Они наблюдали испускание позитронов только во время облучения мишени. Лоуренс со своей группой, работавшей на циклотроне в Калифорнии, допустил такую же ошибку. Более того, в Калифорнии заметили, что счетчик ведет себя несколько «странно» после выключения циклотрона, и даже разработали специальное приспособление, автоматически выключавшее счетчик одновременно с циклотроном. Будь они повнимательнее, они могли бы открыть искусственную радиоактивность раньше, чем это было сделано во Франции.

Удивительно, что никому для этого не пришла в голову мысль о том, что в результате ядерного расщепления может возникнуть нестабильное ядро, хотя о существовании нестабильных ядер было, конечно, известно уже лет тридцать или более того. Мне говорили, что после открытия искусственной радиоактивности Резерфорд написал Жолио и, поздравляя его, заметил, что сам не раз думал о том, что образующиеся ядра могли быть нестабильными, но сам он всегда искал только α-частицы, потому что β-частицы его никогда не интересовали.

В январе 1934 г., как только стала известна эта работа, многие ученые стали повторять и расширять эксперимент. К сожалению, большинство из них ринулось по пути тривиального воспроизведения опытов Кюри и Жолио, бомбардируя α-частицами другие элементы. (По тому же пути пошел и я в лаборатории Блэкетта в Лондоне.)

Но в Риме в это время Ферми уже решил, что в ядерной физике есть еще важные и интересные направления исследований. У него уже были наготове некоторые экспериментальные установки. Поэтому, когда было сделано это открытие, он быстро поставил эксперименты с целью понять, могут ли ядра становиться радиоактивными под действием нейтронов.

Я помню, что моя реакция, как, возможно, и реакция многих других, была скептической: эксперимент Ферми казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем α-частиц. Этот простой аргумент, конечно, не учитывал значительно большую эффективность нейтронов. Нейтроны не замедляются электронами, их не отталкивает кулоновское поле ядра. Действительно, не прошло и четырех недель после открытия Кюри и Жолио, как Ферми опубликовал первые результаты, доказывавшие, что различные элементы становятся радиоактивными после их облучения нейтронами. Только спустя месяц он заявил, что при бомбардировке урана возникает некий новый тип радиоактивности, который, как ему кажется, должен быть связан с трансурановыми элементами. На основании как теоретических соображений (кулоновский барьер и тому подобное), так и экспериментальных данных считали, что поглощение нейтронов тяжелыми элементами не может привести к их распаду. Поэтому все были уверены в том, что так должно быть и в случае с ураном.

Конечно, работы Ферми представляли значительный интерес для радиохимиков. Многие из них принялись за дело, но опять, как ни странно, главным стимулом послужил неверный результат – работа Аристида фон Гроссе (химика, работавшего в США, немца по национальности), по мнению которого один из этих элементов вел себя как протактиний.

Совместно с Ганом он сделал одну из первых работ по протактинию вскоре после открытия этого элемента в 1917 г., поэтому полученные им результаты заставили Гана и Мейтнер мобилизовать все свои силы. Они считали протактиний собственным детищем и решили проверить выводы фон Гроссе. Лизе Мейтнер уговорила Гана снова объединить усилия. Скоро ими было показано, что Гроссе ошибся: это был не протактиний. С другой стороны, было обнаружено так много странных явлений, что работа увлекла их и они решили продолжать исследования. Результат превзошел все ожидания.

Схема каналов распада радиоактивных элементов (из статьи Гана, Мейтнер и Штрассмана, опубликованной в журнале «Naturwissenschaften» в 1938 г.)

Выше приведены цепочки радиоактивных элементов, классифицированных Ганом и Мейтнер. Они еще не присвоили специальных названий трансурановым элементам, а употребили приставку «эка», чтобы подчеркнуть их связь с рением, осмием и т. д.; ряд трансурановых элементов заканчивался на эказолоте. Очевидно, такое большое число новых химических элементов вызвало у Гана желание ознакомиться с ними и изучить их свойства. В наши дни элементы, идущие за ураном, известны, конечно, как нептуний, плутоний, америций и т. д., а современные данные об их химических свойствах отличаются от сведений, полученных Ганом.

Параллельные цепочки

Результаты оказались удивительными по двум причинам. Прежде всего, были обнаружены три параллельные цепочки. Судя по образующимся продуктам распада, все вновь полученные элементы вели свое начало от U_238; возможно, что некоторые из них происходили от U_235 (который встречается значительно реже). Таким образом, дело выглядело так, что есть по крайней мере две параллельные цепочки элементов-изомеров. Изомерные свойства распространяются на всю цепочку элементов, возникающих при β-распадах.

Изомерия ядер была в 1938 г. новинкой, и не было ясно, как ее интерпретировать. Было предложено считать (как это принято и сейчас), что она обусловлена угловыми моментами высокого порядка, но были также предположения, что она является следствием существования каких-то жестких образований внутри ядра. Можно было представить себе, что такое жесткое образование могло бы уцелеть при β-распаде и влиять на время жизни следующего продукта распада.

Но и в этом случае большая длина цепочки все еще казалась непонятной. В конце концов уран сам по себе не был β-радиоактивным. Другие элементы этой группы никогда не испытывают больше двух последовательных β-распадов, а здесь наблюдалось четыре или пять. Ган-химик наслаждался столь большим числом новых элементов, а Гана-радиохимика или физика-ядерщика беспокоил механизм, который мог бы объяснить их существование.

Политическая ситуация в Германии затрудняла проведение всех этих работ. У власти был Гитлер, и институт вел тонкую политическую игру с правительством, чтобы предотвратить преследование некоторых сотрудников института по расовым мотивам. Когда в 1938 г. нацисты оккупировали Австрию, положение Мейтнер стало весьма небезопасным; начали распространяться слухи о том, что она может потерять свое место и ей не разрешат выехать из Германии, так как она слишком много знает. Это вызвало у нее беспокойство. Датские коллеги предложили провезти ее нелегально в Голландию без визы. Поэтому в начале лета 1938 г. она уехала из Германии, проехала Голландию, сделала короткую остановку в Дании и воспользовалась гостеприимством Манне Зигбана из Нобелевского института в Стокгольме.

Вблизи цели

После этого группа Гана, в которую уже вошел Штрассман, стала продолжать работу, но Лизе Мейтнер там не было. Между тем аналогичными вопросами стали заниматься в Париже. Интересно отметить, что точки зрения этих двух групп не совпадали. Сначала трансурановыми элементами в Париже мало интересовались. Однако вскоре интерес к ним резко возрос, так как была обнаружена новая, пропущенная ранее цепочка радиоактивных элементов с атомным весом 4n + 1, получающаяся при бомбардировке тория нейтронами. Известно, что ряды с атомным весом 4n, 4n + 2, 4n + 3 состоят из элементов с естественной радиоактивностью. Но цепочка 4n + 1 не была известна, и поэтому Ирэн Кюри, дочь мадам Кюри-Склодовской, вместе с австрийцем Гансом фон Гальбаном и швейцарцем Петером Прайсверком, приступила к исследованию этой серии и опубликовала несколько работ по этому вопросу.

Позже эта группа распалась, потому что Гальбан уехал в Копенгаген, где в течение некоторого времени занимался вместе со мной исследованием медленных нейтронов. Ирэн Кюри нашла нового сотрудника в лице югослава Павле Савича. Они пытались разобраться в вопросах, связанных с трансурановыми элементами. Понимая, что это – целый ряд различных веществ, Ирэн Кюри предложила остроумный метод выделения одного из них по высокой проникающей способности испускаемых им β-лучей. Покрыв образцы достаточно толстым листом латуни, они исследовали только те препараты, излучение которых проходило через этот экран. Но они не могли даже представить себе, что при такой методике могло бы отбираться не одно вещество, а несколько, тем более что время жизни, равное 3,5 часа, оказалось всюду одинаковым. По своим химическим характеристикам, как они сначала думали, это вещество напоминало торий.

Ган проверил эту работу и пришел к заключению, что это не торий. Он сообщил об этом в Париж. Кюри и Савич продолжали работу и в более поздней заметке летом 1938 г. подтвердили, что вещество с периодом полураспада 3,5 часа не является торием, но по своим свойствам немного напоминает актиний, а еще больше лантан. Кюри действительно вплотную подошла к гипотезе о делении ядер, но, к сожалению, не высказала ее достаточно ясно. Она писала, что этот элемент определенно не актиний, очень похож на лантан, «от которого может быть отделен только фракционным методом». Все же, по ее мнению, их можно было разделить. Причиной этого, возможно, было то, что Кюри получила смесь двух веществ; в этом случае, конечно, можно было осуществить отделение одной составной части от другой. Затем эту работу в свою очередь проделали Ган и Штрассман, которые обнаружили радиоактивные продукты, напоминавшие своим поведением актиний и отчасти радий. Примерно в то же самое время другие ученые были тоже близки к цели: Готфрид фон Дросте – физик, работавший с Лизе Мейтнер, попытался обнаружить, испускает ли уран после облучения его нейтронами α-частицы с большой длиной пробега. Если бы он, подав смещение на усилитель, отсек тем самым обычные α-частицы, то он бы, конечно, обнаружил явление деления ядер. К сожалению, вместо того чтобы использовать смещение, он применял фольгу, толщина которой была достаточной для того, чтобы через нее не прошло не только α-излучение от урана, но и осколки деления; также не были найдены длиннопробежные α-частицы, которые должны были бы появляться в случае образования изотопов радия и актиния.

Позже Ган и Штрассман, тщательно исследовав химические свойства этого «радия», обнаружили его идентичность с барием.

Плодотворный визит

Именно с этого момента я активно включился в работу над этой проблемой. Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы: ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.

Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.

Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм. Я рассказал о наших соображениях Плачеку, находившемуся в Копенгагене, прежде чем решил ставить эксперимент. Сначала Плачек не верил, что эти тяжелые ядра, которые, как известно, испускают α-частицы, могут быть подвержены еще одному типу распада. «Это звучит, – сказал он, – примерно так: человек попал под машину, а при вскрытии оказывается, что пострадавший и без того скончался бы через несколько дней, так как у него злокачественная опухоль». Затем он сказал: «Почему бы вам не провести контрольные эксперименты, используя камеру Вильсона?» У меня не было подходящей камеры Вильсона, а найти ее каким бы то ни было образом было трудно. Но я приспособил ионизационную камеру, с помощью которой можно было без труда экспериментально наблюдать большие импульсы, возникающие от ионизации, производимой осколками деления.

Я не считаю, что хронологическая последовательность событий играет существенную роль; кроме того, я не хочу приписать себе особые умственные способности или же оригинальность мышления. Мне просто посчастливилось быть вместе с Лизе Мейтнер, когда она получила сообщение об открытии Гана и Штрассмана. Потребовалось некоторое напоминание извне для того, чтобы я провел решающий эксперимент 13 января. К этому времени наша совместная работа была почти написана. Я продержал ее еще три дня, дописал другую статью и отправил их вместе в «Nature» 16 января; они были опубликованы неделей позже. В первой статье я употребил слово «деление», предложенное мне американским биологом Уильямом А. Арнольдом, у которого я спросил, как размножаются клетки.

Во второй статье содержалось предложение Лизе Мейтнер о том, что осколки деления, возникающие в результате облучения уранового образца, могут быть сосредоточены у его поверхности, а их активность можно измерить. Независимо эту же мысль высказал Жолио, который успешно провел эксперимент по проверке этой идеи 26 января. Приблизительно в то же время эти новости стали известны в США. К каким следствиям это привело, видно из статьи Уилера.

Завершающий этап поисков

Вернемся к моему первому вопросу: «Почему так долго не могли обнаружить деление?». Почему не был открыт раньше нейтрон? Резерфорд думал над тем, что такая частица может существовать. Он предсказывал некоторые ее свойства еще в своей Бейкерианской лекции, прочитанной в 1920 г. Однако Жолио не читал ее, считая, что в популярной лекции не может содержаться ничего нового. Когда Жолио и Кюри нашли, что при облучении парафина «бериллиевой радиацией» испускаются протоны, они приписали это некой разновидности комптон-эффекта очень жестких γ-лучей (с энергией около 50 МэВ), не считаясь с возражениями физиков-теоретиков. В конце концов нейтрон был открыт в Кембридже, где предполагали наличие такой частицы и искали ее.

В 1932 г., когда был открыт нейтрон, с помощью импульсных усилителей и ионизационных камер можно было легко определить импульсы от осколков деления. Но это был бы слишком большой скачок в развитии наших представлений. Капельная модель ядра родилась позже. Бор предложил модель компаунд-ядра только в конце 1936 г. Надо было быть гением, чтобы тогда же предсказать деление, однако никто не смог этого сделать.

Открытие искусственной радиоактивности в 1934 г. было опять-таки случайным, никто не искал его, за исключением Резерфорда, который тщетно искал α-распад. Группа в Беркли просто закрыла глаза на «странное поведение» счетчиков. После открытия искусственной радиоактивности физики, как стадо овец, бросились повторять опыт с абсолютно очевидными вариациями (я сам также входил в это стадо). Только у Ферми хватило ума выбрать оригинальное и на редкость плодотворное направление.

Но затем Ферми пошел по неправильному пути: он был уверен, что уран, подобно остальным тяжелым ядрам, покорно поглотит и замедлит нейтрон, падающий на него. Он сделал предположение, что образующиеся радиоактивные вещества будут отличаться от любого из известных элементов, расположенных близко к урану. Немецкий химик Ида Ноддак совершенно правильно указала, что они могут быть более легкими элементами. Однако ее замечания (опубликованные в журнале, который читают далеко не все химики и едва ли хоть кто-нибудь из физиков) были расценены как совершенно несущественные. Она не указала, как могут образоваться такие легкие элементы. Возможно, ее статья не оказала никакого влияния на более поздние работы.

В конце концов все-таки химики нашли правильный путь. Ирэн Кюри и Павле Савич подошли очень близко в решению проблемы, и лишь наличие двух веществ, свойства которых, как нарочно, были почти одинаковыми, помешало им обнаружить деление урана прежде, чем Ган и Штрассман дали окончательный ответ на этот вопрос.

Кембриджский университет, Великобритания

Дж. Уилер

Механизм деления ядер

В первых числах января 1939 г. шведско-американский лайнер «Дротнингхольм» шел, пересекая бурное море, из Копенгагена в Нью-Йорк. На его борту находился Нильс Бор, который вез короткое сообщение, приведшее к тому, что центр ядерных исследований переместился из Европы, где в эти годы, совпавшие по времени с правлением Гитлера, были сделаны первые открытия в области ядерной физики, в США.

Хотя проведение этих исследований привело к роковым последствиям как для США, так и для остального мира, сам процесс передачи этого конкретного сообщения был прост: несколько слов, сказанных Отто Фришем Нильсу Бору на пристани в Копенгагене, и несколько слов, сказанных в нью-йоркском порту Энрико Ферми и мне Нильсом Бором.

На правах младшего участника всех событий, имевших место сразу же после этого и в последующие месяцы, я расскажу о той деятельности, которая привела к опубликованию в журнале «Physical Review» статьи, написанной Нильсом Бором и мной. В этой статье приводились некоторые мысли по поводу сообщения о делении ядер, была рассмотрена капельная модель ядра, которую Фриш применил для объяснения механизма деления и определения фактора упаковки, который учитывала Лизе Мейтнер, делая первые оценки энергии, освобождающейся при делении.

В то время никому не удалось при рассмотрении этого нового процесса использовать все свои знания ядерной физики и правильно интерпретировать это явление. К счастью, уже появились основные идеи, без которых нельзя было найти решение этой проблемы. Пожалуй, здесь уместно будет напомнить, как развивалась ядерная физика в предшествовавшие шесть лет.

Ключи к разгадке

1932 г. был плодотворным для многих физиков. В то время я только что получил докторскую степень. В этом году был открыт нейтрон и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Такие открытия позволяли надеяться, что скоро мы будем знать ядро так же хорошо, как атом. Эта воодушевляющая картина ободряла многих молодых людей и меня в их числе. 1933–1934 гг. я проработал у Грегори Брейта, который оказал на меня большое влияние. В эти дни как он, так и вся его группа интуитивно придерживались следующей модели ядра: нейтроны и протоны двигались в общем самосогласованном поле, аналогичном электрическому полю атома. Принятая нами модель была не только «недоработанной», она была во многом неясной. Ни один из нас, особенно Брейт с его осторожностью и проницательностью, не был ее догматическим приверженцем. Поэтому он всегда был готов считать, что в ядре могут находиться не только нейтроны и протоны, но и α-частицы. Такую точку зрения, казалась, можно было применить при рассмотрении некоторых реакций. Брейт уделял особое внимание расширению исследований, минимально зависящих от модельных представлений. Поэтому многие работы нашей группы были посвящены проникновению в ядро заряженных частиц и изучению зависимости сечений ядерных реакций от энергии. Большое внимание было уделено рассмотрению процессов рассеяния на основе фазового анализа.

По рекомендации Брейта я провел следующий год в Копенгагене в институте Нильса Бора. Здесь я приступил к изучению многих новых идей. По-моему, в ядерной физике в то время не было ничего более значительного, чем сообщение Мёллера, привезенное им весной 1935 г. после краткого визита в Рим на пасху. Он рассказывал об экспериментах Ферми с медленными нейтронами и об открытых им удивительных резонансах. Все проведенные ранее оценки показывали, что частица, проходящая через ядро, имеет чрезвычайно малую вероятность поглотиться ядром или потерять энергию на излучение, если считать верной принятую тогда модель ядра. Однако результаты опытов Ферми оказались диаметрально противоположными предсказаниям этой модели. Они установили наличие огромного сечения и резонансов, которые никак не удавалось объяснить.

Понадобилось несколько недель для того, чтобы проанализировать основные, наиболее важные результаты этого открытия. Оно произвело на всех большое впечатление, но никто не был так заинтересован, как Бор, который всюду устраивал обсуждения и был самым активным участником дискуссий.

Капельная модель ядра

История создания капельной модели и модели составного ядра хорошо известна. Но менее ясно и далеко не очевидно, чем в то время эти идеи отличались друг от друга; основным содержанием модели составного ядра было предположение, что судьба составного ядра не зависит от механизма, приведшего к его образованию; капельная модель является, так сказать, частным случаем модели составного ядра, подтверждающим целесообразность такой модели. Бор предположил, что средняя длина свободного пробега нуклона мала по сравнению с размерами ядра, тогда как, согласно всем предыдущим оценкам, она должна была быть больше. Эта новая идея сделала капельную модель ядра чрезвычайно привлекательной. Никто, оглядываясь назад, не может даже с теперешней выигрышной позиции не выразить удивления по поводу «самой большой случайности в ядерной физике» – того обстоятельства, что средняя длина свободного пробега частиц в ядре оказалась ни чрезвычайно малой по сравнению с размерами ядра (предположение модели составного ядра), ни чрезмерно большой (как предполагалось в ранних моделях), а занимает промежуточное положение. Более того, все удивительные свойства физики ядра очень сильно зависят от величины этого параметра. Не так давно Оге Бор и Бен Моттельсон показали, что даже сколь угодно точное знание этого параметра не дает возможности определить тот из многих альтернативных режимов, по которому пойдет реакция. Только наблюдения могут ответить на этот вопрос.

Имея так мало сведений об этих определяющих параметрах, как это было в 1935 г., и почти не подозревая об их высокой критичности, не оставалось ничего другого, как использование «на всю мощь» предположения о малости длины свободного пробега.

В трудах Фрица Калькара и Нильса Бора 1935–1937 гг. капельная модель получила свое дальнейшее развитие. Они использовали ее для расчета целого ряда процессов. В этом случае основным является предположение о составном ядре, т. е. концепция о двух совершенно независимых стадиях ядерной реакции. На первой стадии частица, попавшая в ядро, переводит его в возбужденное состояние; затем ядро возвращается в основное состояние, испустив γ-квант, нейтрон, α-частицу или при помощи какого-нибудь другого конкурирующего процесса.

Бор привозит новости

Сообщение Фриша, полученное Бором перед отъездом из Копенгагена, открыло перед ним новую область применения модели составного ядра. Ко времени своего приезда в Нью-Йорк Бор уже знал, что деление ядер является еще одним конкурирующим процессом наряду с переизлучением нейтрона и испусканием γ-лучей. Через четыре дня после приезда Бор с Розенфельдом окончили статью, в которой содержалась общая картина деления, для объяснения которого использовались понятия об образовании и распаде составного ядра. В течение нескольких месяцев Розенфельд совместно с Бором работал в Принстоне над проблемой измерений в квантовой электродинамике. За это время Бор прочел по этому вопросу не больше шести лекций. Тем не менее эта и многие другие проблемы отнимали у него много времени. Перед входом в его кабинет был вывешен длинный перечень неотложных дел и список лиц, с которыми надо что-то обсудить. При такой занятости легко понять радость Бора, когда он заходил в мой кабинет, чтобы поговорить о выполнявшейся в данное время работе. Мы пытались детально разобраться в механизме деления и для начала проанализировать потенциальный барьер, препятствующий делению, и выяснить, чем определяется его высота.

Прежде всего нами было выдвинуто предположение о наличии порога или барьера. Как можно было согласовать существование барьера с моделью капли?

Разве идеальная жидкость не может быть разделена на сколь угодно мелкие капли? Может ли энергия возбуждения, необходимая для того, чтобы ядро, находящееся в исходном состоянии, распалось на две части, быть произвольно малой? Ответить на эти вопросы нам помогло вариационное исчисление, теория максимумов, минимумов и критических точек. Достижения этой отрасли математики мы «осмотически» поглотили из окружающей нас среды, которая была наполнена в течение ряда лет идеями и результатами Мастона Морса. Стало ясно, что нами найдено конфигурационное пространство, совокупность точек которого описывает деформацию ядра. В этом конфигурационном пространстве можно определить различные траектории, идущие от основного состояния, когда ядро по своей форме близко к сфере, проходящие через барьер и приводящие к распавшемуся ядру. На каждой из этих траекторий энергия деформации достигает своего максимального значения. Величина максимума неодинакова для разных траекторий, образующих в этом пространстве особую точку типа «седла». Наименьший из этих максимумов определяет высоту седловой точки, т. е. порог деления или энергию активации при делении ядра.

Пока мы оценивали высоту барьера и освобождавшуюся энергию для различных типов деления, приближался день открытия пятой ежегодной конференции по теоретической физике, которая должна была начаться в Вашингтоне 26 января. Бор чувствовал свою ответственность перед Фришем и Мейтнер и, как принято в научном мире, считал, что нельзя в настоящее время ни словом обмолвиться об их предположениях и успехах до тех пор, пока им самим не представится удобный случай для публикации. Несмотря на это, Розенфельд вначале не оценил всех затруднений и сложностей в позиции Бора. В день прибытия Бора в США Розенфельд выехал поездом в Принстон. (У Бора в этот день были некоторые дела в Нью-Йорке.) Сообщение о новом открытии, сделанное Розенфельдом в клубе журналистов (открытый по понедельникам вечерний клуб), вызвало всеобщее возбуждение. Исидор И. Раби, присутствовавший там, привез эти новости к себе в штат Колумбию, где Джон Даннинг решил немедленно поставить эксперимент. Тем не менее даже 26 января Бор не хотел говорить об открытии Фриша и Мейтнер до тех пор, пока не получил сообщение о том, что эти результаты уже опубликованы. К счастью, днем ему передали выпуск «Naturwissenschaften», в котором была работа Гана и Фрица Штрассмана; теперь он мог об этом говорить. Сразу же начались новые опыты. Сообщение о первом прямом доказательстве существования деления ядер появилось в газетах 29 января.

Создание теории

В основе анализа деления лежала капельная модель, которая возвращала Бора к его излюбленной теме. Первая студенческая работа Бора была посвящена экспериментальному исследованию неустойчивости водяной струи при дроблении ее на мелкие капли. Ему была хорошо известна работа Джона У. Стрэтта, третьего лорда Рэлея. Эта работа являлась отправной точкой для нашего анализа. Однако у нас получились члены более высокого порядка, чем в вычислениях Рэлея, поскольку мы не ограничивались чисто параболической частью ядерного потенциала, т. е. той частью, которая квадратично растет с увеличением деформации. Мы рассмотрели члены третьего порядка с целью определить точку максимума у потенциала. Это дало нам возможность оценить высоту потенциального барьера по крайней мере для тех ядер, заряд которых был достаточно близок к критическому значению, соответствующему немедленному делению.

При этом нами было установлено, что вся проблема сводится к определению зависимости функции f от одной безразмерной переменной х. Этот «параметр делимости» определяется отношением квадрата заряда ядра к его массе. Величина этого параметра равна единице для неустойчивых ядер сферической формы. Для значений, близких к единице, пользуются разложением в степенной ряд около x = 1, что позволяет оценить высоту барьера. Действительно, вычисление первых двух членов разложения по степеням (1 − x) дает высоту барьера. Можно проанализировать и противоположный предельный случай. В этом пределе заряд ядра так мал, что высота барьера почти целиком определяется силами поверхностного натяжения. Ролью кулоновских сил при распаде можно пренебречь. Эти два случая (разложение в степенной ряд около точек x = 0 и x = 1) весьма сильно отличаются друг от друга. Мы понимали, что потребуется очень большая работа для того, чтобы определить свойства потенциального барьера в промежуточной области. Поэтому мы просто ограничились интерполяцией между этими двумя предельными случаями. В течение последующих 28 лет во многих работах было проведено весьма большое число вычислений, определяющих топографию энергии деформации в конфигурационном пространстве. Мы пока еще далеки от завершения этого анализа.

Здесь особенно интересно отметить ту осторожность, с которой Бор воспринял эту формулу. Он заходил к нам чуть ли не каждый день, и мы сидели, быть может, до полудня, пытаясь подойти к этому вопросу то с одной стороны, то с другой. Но его чрезвычайная осторожность проявилась особенно ярко, когда мы хотели определить число уровней в промежуточном состоянии. В наши дни эта величина носит название «числа каналов», и мы использовали ее в формуле для скорости деления, полученной с помощью теории многоканальных реакций. Кроме того, мы применили аналогичные соображения для описания других ядерных реакций. Но в то время мысль о том, что каждый отдельный канал может быть в принципе экспериментально наблюдаем, не казалась нам достаточно убедительной. Еще более сомнительным мы считали то, что каждый канал может характеризоваться своим отличным от других угловым распределением, из которого удастся определения ядер были весьма полезны. И только более поздние работы Бора помогли нам разобраться в этом вопросе. Процитируем фразу, в которой мы осторожно говорим о числе каналов: «Следует заметить, что специфические квантовомеханические эффекты, которые начинаются при энергии, меньшей или равной критической энергии деления, могут даже оказать свое влияние при энергиях, несколько бóльших критической, и вызвать слабые осцилляции в начале кривой выхода, что, возможно, допускает прямое определение числа каналов». Теперь-то мы знаем, что позже, в 50-х годах, эти отклонения были найдены Ламфером и Грином, а также другими авторами, и это привело к непосредственному измерению числа каналов.

Торжество Бора

Важнейшая часть принстонского периода деятельности Бора относится к тому времени, когда я не был непосредственно связан с Бором. Однажды снежным утром Бор шел пешком от Нассау-клуба до своего кабинета в Файн-Холле. После разговора за завтраком с Плачеком, который относился весьма скептически к соображениям о делении ядер, Бор с удвоенной энергией начал искать объяснения необычной зависимости сечения деления от энергии нейтрона. Во время прогулки он пришел к заключению, что деление U^235 вызвано медленными нейтронами, а U^238 – быстрыми. К моменту прихода в Файн-Холл, где собрались Плачек, Розенфельд и я, он был готов изложить эту идею на доске. Согласно предложенной им концепции, ядро U^238 не испытывает деления как под действием тепловых нейтронов, так и при облучении нейтронами промежуточных энергий; эффективными оказывались нейтроны с энергией в миллион электронвольт или больше. Кроме того, наблюдавшееся при более низких энергиях деление происходило по той причине, что имеется U^235, а сечение захвата нейтрона в этой области энергий обратно пропорционально скорости (~1/v). Нам уже были известны экспериментальные данные о резонансном захвате нейтронов промежуточных энергий. С помощью простых соображений мы смогли показать, что к резонансным реакциям урана с нейтронами U^235не имеет никакого отношения. Мы пришли к такому заключению, так как было известно, что резонансное сечение превышает теоретический предел, равный квадрату длины волны, если U^238является ответственным за резонансный эффект. Таким образам, резонанс был обусловлен U^238, а сам по себе факт, что резонансные нейтроны не вызывают деления, доказывал, что U^238не мог делиться под действием нейтронов такой малой энергии. Таким образом, если деление не происходило при такой энергии, оно и подавно не произошло бы при более низких энергиях; следовательно, при низких энергиях происходило деление ядра U^235.

Несколькими днями позже, 16 апреля, Плачек, Вигнер, Розенфельд, Бор, я и другие обсуждали вопрос о том, возможно ли создание ядерной взрывчатки. Мысли о возможности отделения U^235в то время казались столь преждевременными, что я не могу забыть слов Бора, сказанных по этому поводу: «Нужно мобилизовать силы всей страны, чтобы сделать бомбу». Он не мог предвидеть, что на самом деле для достижения этой цели понадобятся усилия тысяч людей, приехавших из трех стран.

С помощью теории стало возможным предсказать в общих чертах зависимость сечения деления от энергии. Одновременно с нашей работой по созданию теории в пальмерской физической лаборатории Рудольф Лиденберг, Джеймс Кэннер, Гейнц Г. Баршалл и Ван-Вурис измерили сечение для урана и тория в области от 2 до 3 МэВ; оказалось, что поведение сечения следует предсказаниям теории. Безусловно, что те же самые соображения можно было использовать для предсказания о делении плутония-239. Этим особенно активно занимался Луис А. Тёрнер. Он положил начало направлению, неизбежно ведущему к гигантскому плутониевому проекту, хотя на первых порах он руководствовался только теоретическими оценками.

Спонтанное деление являлось наиболее привлекательным приложением этих идей в сочетании с гипотезой о проникновении через потенциальный барьер. Другое приложение касалось разницы между быстрыми нейтронами и вторичными нейтронами. В заключение надо отметить, что деление ядра является процессом, отличным от всех других процессов, с которыми мы имели дело раньше в ядерной физике. Это отличие состоит в том, что в процессе деления превращение ядра носит коллективный характер. В этом смысле деление открыло дверь для развития в послевоенные годы коллективной модели ядра.

Принстон, США

Роберт Оппенгеймер

Летающая трапеция

Создание атомного оружия – это, пожалуй, одно из трагических событий в истории науки, когда фантастические по своей смелости и значению открытия обернулись созданием оружия, способного уничтожить всю человеческую цивилизацию. Aтомная бомба была впервые испытана в Нью-Мексико в июле 1945 года; позже Оппенгеймер вспоминал, что в тот момент ему пришли в голову слова из Бхагавадгиты:

Если сияние тысячи солнц вспыхнуло бы в небе, это было бы подобно блеску Всемогущего – Я стал Смертью, уничтожителем Миров.

6 августа 1945 г. состоялось первое боевое применение ядерного оружия: бомбардировщик B-29 американской армейской авиации сбросил ядерную бомбу Little Boy (“Малыш”) на японский город Хиросима. Три дня спустя, 9 августа 1945, атомная бомба «Fat Man» («Толстяк») была сброшена на город Нагасаки. Это было последнее применение ядерного оружия в истории человечества.

В своей речи перед коллегами, произнесённой 3 ноября 1945 года в Лос-Аламосе, на «родине» атомной бомбы, Оппенгеймер, с одной стороны, говорил о том, что создание ядерного оружия было «органически необходимо», а с другой – предупреждал об опасностях, которое оно несёт человечеству:

Сегодня я хотел бы говорить с вами… как ваш коллега-ученый и человек, так же, как и вы, озабоченный той неприятной ситуацией, в которой мы оказались.

…Если посмотреть на нынешнее положение в науке, то следует задуматься о том, чем руководствовались люди, приходившие сюда работать…

Прежде всего была огромная тревога, что враг может разработать это оружие раньше нас, и сильное чувство, по крайней мере, поначалу, что без ядерного оружия победу одержать будет очень трудно или она отодвинется на невозможно, неимоверно долгое время.

Эта тревога немного уменьшилась, когда стало ясно, что война будет выиграна в любом случае. Кем-то, как мне кажется, руководило любопытство, и это вполне понятно; других привлекал дух приключений, и это тоже абсолютно правильно.

У третьих были политические аргументы: «Мы знаем, что ядерное оружие в принципе возможно, и несправедливо, если оно останется неоправданной возможностью. Мир должен знать, что можно сделать в этой сфере, и должен сделать это»…

И наконец (и это тоже вполне справедливо), было чувство, что кроме Соединённых Штатов в мире нет другого места, где задания по разработке ядерного оружия с большей вероятностью были бы решены и было бы меньше шансов на поражение.

Уверен, что все доводы, приводимые этими людьми, правда, и в тот или иной момент жизни я и сам все это говорил.

Но если говорить о непосредственной причине – мы сделали эту работу потому, что она была органически необходима…

Если вы учёный, вы верите, что открывать принципы мироустройства – благо, выяснять свойства реальности – благо, и благо обратить на пользу всего человечества величайшую силу из всех возможных, чтобы контролировать мир и руководить им в соответствии с человеческими идеалами и ценностями.

…Нельзя быть учёным, если не верить, что познавать новое – это хорошо. Нельзя и невозможно быть учёным, если не считать высшей ценностью возможность делиться своими знаниями с каждым, кого они заинтересуют.

Невозможно быть учёным, если не думать, что знания о мире и сила, которую они дают, – это неотъемлемое достояние цивилизации, и что вы используете их, чтобы помочь распространению знаний, и готовы принять все последствия.

…Думаю, будет справедливо сказать, что атомное оружие – угроза каждому человеку, и в этом смысле это общая проблема, такая же общая, как проблема разгрома нацистов, стоявшая перед союзническими войсками.

Думаю, для того, чтобы справиться с этой проблемой, необходимо полное ощущение общей ответственности. Не думаю, что люди начнут принимать участие в решении проблемы, если они не осознают способности сделать свой вклад.

Думаю, это область, в которой осуществление совместной ответственности имеет определённые и бесспорные преимущества. Это новая область, где сами по себе новизна и специфические характеристики технических операций дают возможность установить общность интересов, которую можно практически считать экспериментальным образцом международного сотрудничества.

Я говорю об этом как об экспериментальном образце, поскольку полностью очевидно: контроль за ядерным оружием не может быть единственной конечной целью подобной операции. Единственной конечной целью может быть объединённый мир, где нет места войне…

Подобной цели нелегко достичь, и хочу разъяснить, какую это обещает огромную смену настроений. Есть вещи, которые мы ценим очень высоко и вполне справедливо; я бы сказал, что слово «демократия» среди них не на последнем месте. Много есть мест в мире, где нет демократии.

Но есть и другие ценности. И когда я говорю о новом настроении в международных отношениях, я имею в виду, что даже при всей важности этих дорогих нам вещей, за которые американцы готовы отдать жизни, – при всей важности этих вещей мы осознаем, что есть что-то более глубокое. А именно: общая связь с другими людьми во всем мире.

…Мы не только учёные, мы ещё и люди. Мы не можем забыть о том, что зависим от таких же людей, как мы… Это самые сильные связи в мире, более сильные, чем те, которые связывают нас друг с другом. Самые глубокие связи – те, которые связывают нас с такими же людьми, как мы.

Из предисловия

Уидденские чтения учреждены в 1954 году в память о бывшем ректоре Макмастерского университета, ныне покойном Говарде П. Уиддене (1871–1952), члене Канадского Королевского общества. Уидденские чтения имеют целью помочь студентам преодолеть барьеры, разделяющие факультеты в современном университете. Чтения не ограничиваются какой-либо общей тематикой.

Седьмой цикл Уидденских чтений был проведен в январе 1962 года. Лекции были прочитаны выдающимся ученым доктором Юлиусом Робертом Оппенгеймером, директором Института высших научных исследований Принстонского университета (штат Нью-Джерси, США).

Доктор Оппенгеймер, окончивший Гарвардский университет учившийся и преподававший в Кембриджском, Геттингенском, Лейденском, Цюрихском и многих других университетах как в США, так и в других странах мира, известен широкой общественности как бывший директор Лос-Аламосской научно-исследовательской лаборатории во время Второй мировой войны, а позднее как председатель общего консультативного комитета Комиссии по атомной энергии США. Лос-Аламосская лаборатория в значительной мере обязана своим успехом в военное время доктору Оппенгеймеру, который как руководитель умел вдохновлять своих сотрудников. Он не просто выдающийся ученый-физик в области атомной энергии. Большой гуманист, он проявляет глубокое беспокойство о будущности человека и о судьбе человечества. Это многосторонний ученый, обладающий глубокой культурой: в юности он изучал классические языки Древней Греции и Древнего Рима. Все, кто присутствовал на Уидденских чтениях 1962 года, согласятся с тем, что трудно представить более достойного лектора, чем доктор Оппенгеймер.

Э. Т. Сэлмон, ректор университетского

колледжа Макмастерского университета

Май 1964 г.

Введение

Три лекции «Летающая трапеция: три кризиса в физике» читались профессором Оппенгеймером по конспективным наброскам и были застенографированы. Слушать их без волнения было невозможно. Поучительно было наблюдать, как время от времени профессор Оппенгеймер искал наиболее точное слово, приводил множество образных примеров, которыми он иллюстрировал каждую мысль. Когда я читал стенограмму, мне бросилось в глаза, что его яркая образная речь, столь ясная для слушателя, содержала множество сложных предложений, трудно воспринимаемых при чтении. Более того, анализ каждого из трех кризисов («Пространство и время», «Атом и поле», «Война и нации») никак не укладывался в рамки одной лекции. Поэтому профессор Оппенгеймер продолжал разговор по первой теме во время второй лекции, а по второй теме – во время третьей. Это вынуждало его повторять некоторые сведения и обобщать их. Представляется уместным в письменном изложении посвятить каждой теме определенную главу. По этой причине мне пришлось объединить некоторые вопросы, затронутые в конце лекции, с материалами следующей лекции. При этом я почти ничего не опустил, но кое-где изменил порядок некоторых абзацев.

М. А. Престон, магистр искусств, доктор

философии, член Канадского Королевского

общества, профессор теоретической физики

Макмастерского университета

Пространство и время

Нынешний век – великий век в области физики, век неожиданных, глубоких и волнующих открытий, которые, будучи применены на практике, в значительной мере изменили условия жизни человека. В течение нескольких последних лет достигнут огромный прогресс в понимании основных сторон жизни, и я убежден, что в предстоящие годы человечество гораздо больше, чем за весь период своего развития, узнает об удивительных функциях живых организмов, о самом человеке как о части природы. Мы, физики, в настоящее время все еще заняты чрезвычайно трудной борьбой за познание законов материи и ее природы.

Я хочу говорить не об этом, а скорее о задачах, которые в какой-то мере решены, хотя вопросы, вытекающие из достижений более раннего периода нашего века, все еще открыты и все еще остаются нерешенными. В данной и следующей лекциях я буду говорить о расширении нашего понимания природы и об изменениях в этом понимании. В третьей лекции я затрону прежде всего вопрос об изменениях в положении человечества, которые были вызваны достижениями физики и других наук.

В наше время наука играет первостепенную роль – и это его отличительная черта. Для него характерны чрезвычайно быстрые перемены и стремительный рост – рост науки, рост производительности, рост населения, рост масштабов передвижения и связи. Какие бы статистические показатели мы ни взяли, мы видим, что кривая резко идет вверх, проявляя тенденцию к удвоению за десять, двадцать или тридцать лет. В области точных и естественных наук это удвоение происходит примерно каждые десять лет, и можно привести ряд весьма показательных цифр, подтверждающих эту ситуацию. Вспомним, например, тех, кто посвящает свою жизнь изучению природы или практическому применению познанных явлений, т. е. тех, кого мы называем учеными, и мы увидим, что общее количество ученых, существовавших за всю историю человечества, довольно велико, но около 93 % из них живет и сегодня. Это говорит о чрезвычайно быстром росте числа людей, занимающихся наукой. У меня есть друг в Европе, который определил темпы роста одного американского журнала по фундаментальным физическим исследованиям. Он установил, что при существующем темпе роста вес томов этого журнала в будущем столетии превысит массу земного шара. Не так давно меня посетил ученый секретарь Академии наук СССР, который провел со мной целый день в Принстоне. По-моему, он занимает важный политический пост. Мы немного поговорили о расширении масштабов научной деятельности, к которой он имеет отношение как администратор. Я спросил, каковы, по его мнению, перспективы на дальнейший пятидесятилетний период после следующей пятилетки. Не задумываясь, он ответил: «К тому времени мы все станем учеными». Ужасный смысл сказанного дошел до него не сразу, но затем он добавил: «Ну, не совсем все».

И все же, говоря о нынешнем веке как о веке науки, мне кажется, следует учитывать два соображения.

Во-первых, на сегодняшний день у нас нет ясности относительно того диапазона проблем, который будет доступен науке. Мы не знаем, в какой мере человеческое поведение поддается объективному, часто неожиданному изучению, именуемому наукой. Таким образом, мы, возможно, живем сегодня в состоянии некоего несоответствия между уровнем наших знаний о физическом мире, зачатками познания живого мира и уровнем наших знаний о внутреннем мире человека. Я, однако, глубоко убежден в том, что те научные знания о человеке, которыми мы, возможно, будем обладать (а они столь незначительны сегодня), всегда останутся, так же как и наше знание физического мира, весьма и весьма неполными, а следовательно, научные достижения не всегда будут помогать осознанию нами необходимости жить и действовать в соответствии с традициями, здравым суждением и мудростью.

Во-вторых, нам следует помнить, что по большей части нынешнее положение вещей является результатом не того, что мы познали, а того, как наши знания применяются в области техники. А это, в свою очередь, зависит от организации экономики и – в более ограниченной, но все же ощутимой мере – от нашей политической системы. Ни один из этих факторов не вытекает из науки, ни один не связан тесно с ней, так как, хотя развитие познания в значительной мере отвечает потребностям человека, оно все же не полностью обусловлено этими факторами.

Например, наличие ужасных, не поддающихся лечению болезней, конечно, обусловливает широкое и интенсивное изучение проблем, могущих иметь к ним отношение. Проблемы подъема продуктивности сельскохозяйственного производства, проблемы технического развития и, пожалуй, в наибольшей степени проблемы военного значения способствуют оказанию энергичной и усиливающейся поддержки исследовательским работам. Но то, что выдающиеся научные открытия делаются не потому, что они полезны, а потому, что они оказались возможными, является глубокой и неоспоримой истиной.

Например, в течение многих столетий делались попытки превратить ртуть в золото только потому, что это казалось весьма полезным. Эти попытки оказались тщетными. А мы нашли пути превращения ртути в золото, преследуя при этом совершенно другие цели. Я считаю, что наличие средств, идей или концепций, которые не всегда, но по большей части являются математическими, скорее, чем человеческие потребности, определит те великие изменения, которые произойдут в нашем представлении о мире. Зрелость в науке, по сути дела, – все, а зрелость есть способность творить новое и выдвигать новые мысли. Эта свобода выбора охватывает все поле деятельности. Нельзя вечно сидеть над неразрешимой проблемой. Можно сидеть над проблемой в течение очень долгого времени, и это может оказаться правильным. Но в конечном счете ученый будет руководствоваться не тем, что полезно узнать, а тем, что возможно узнать.

Те, кто стоит далеко от науки, могут счесть подобный подход безответственным. Может показаться, что, создав столь потенциально вредную вещь, как ядерная бомба, нам следовало бы попытаться открыть нечто потенциально полезное, что помогло бы нам избавиться от нее. Действительно, нам следовало бы этим заняться. Но, скорее всего, наши мысли будут направлены на выполнение более легких дел, они будут нацелены на дела более близкие. И данный подход не есть безответственность. Он является характерной чертой того особого пути, который ведет к быстрому прогрессу в познании, так как часто необратимый процесс постижения происходит через установление ошибки. Доказав однажды ошибочность того или иного положения, мы к нему не возвращаемся, так как извлекли урок.

«Прогресс», когда речь идет о морали и человеческих отношениях, – весьма расплывчатое понятие, несомненно, применимое к некоторым сторонам нашей жизни, хотя отнюдь не ко всем, но в науке он неизбежен. Прогресс равнозначен самому существованию науки.

Две первые лекции посвящены именно тем случаям, когда твердо укоренившиеся ошибочные воззрения, несмотря на возмущение противников, были безжалостно исправлены, и исправлены таким образом, что повторение этих ошибок исключено. Более того, этот прогресс в познании природы коренным образом изменил не только наши представления о ней, но и некоторые наши представления о самих себе как об исследователях. Пользуясь старым любимым выражением Баттерфилда, можно сказать, что прогресс, так же как и революции позднего средневековья и семнадцатого века, изменил «мыслительный аппарат» людей. Я, возможно, ошибаюсь, но я разделяю вместе с моими коллегами или же с многими из них твердое убеждение в том, что этот опыт следует распространить за пределы ограниченных коллективов специалистов. Умение видеть, как наши мысли, слова и идеи могут быть ограничены недостатком знаний и опыта, – весьма ценное качество. Это в некотором смысле способствует улучшению морального состояния человека, а также доставляет ему удовольствие. Нам представляется, что это дает возможность воспрянуть человеческому духу, избавиться от провинциализма и узости. Например, достаточно вспомнить о том, что означало для нас, когда на протяжении последних столетий мы поняли, насколько культуры других народов могут отличаться от нашей собственной и все же действительно быть культурами!

Прогресс такого рода возможен лишь потому, что он сочетает в себе две противоречивые черты. Одна из них характеризуется огромной тягой к приключениям. Она побуждает ученого искать новые явления и новые обстоятельства, побуждает его исследовать глубины космоса, «вгрызаться» в недра материи и делать множество вещей, которые уводят его от привычного человеческого опыта. Такова одна черта.

Другая черта – приверженность к установившемуся порядку, нежелание отказаться от достигнутой как будто бы ясности, словом, своего рода консерватизм. Например, если даже ученый и готов переписать заново Ньютона, ему очень не хочется слишком далеко отходить от него. Хотя ученый вполне сознает, что все ранее сделанное в области физики – лишь частичная истина, он неистово отстаивает эту частичную истину. Ученый силен традицией, он придерживается традиции в описании нового опыта, придерживается до тех пор, пока, наконец, это станет невозможным, и лишь тогда он решительно порывает с ней.

Многие из тех, кто способствовал переворотам в науке, впоследствии тяжело переживали то, что они вынуждены были совершить. Увлекавшийся небесными сферами Кеплер открыл эллиптические орбиты. Планк, который ввел ставшее знаменитым понятие о кванте действия, ввел тем самым в физику идею прерывности, что представлялось ему самому чрезвычайно странным и уродливым. Эйнштейн, который свыкся с теориями относительности[1] и высказывал сожаления лишь по поводу весьма немногих аспектов этих теорий, также внес вклад в развитие квантовой теории. Он выдвинул идею световых квантов, но так и не смог до конца примириться с квантовой теорией, логически построенной на этой основе. Де Бройль, который открыл волны, связанные с материальными частицами, так и не мог примириться с истолкованием этих волн только как волн информации, а не как возмущений в материальной среде.

Такие изменения навязываются физикам в какой-то степени вопреки их собственной воле потому, что они, как приверженцы определенных традиций, консервативны, и потому, что они в какой-то мере слишком авантюристичны. В течение нашей жизни мы не раз наблюдали ломку установившихся понятий и опыта. В таких случаях применяется ходячее выражение «пережить революцию во взглядах», но это не совсем верно, так как наши взгляды и опыт углублялись и изменялись, но полностью не отвергались. Я полагаю, что общее знакомство с такого рода явлениями и наличие такого опыта может оказаться полезным в разрешении человеческих проблем в условиях столь быстро меняющегося мира.

Моя задача на сегодня и завтра строго ограничена. С одной стороны, часто считают, что без математических формул невозможно рассказать о существе открытий, в особенности в области физики. До некоторой степени это верно. По всей вероятности, эти открытия невозможно было бы сделать, не применяя математического аппарата, который дает возможность быстро, кратко и четко выразить присущий природе порядок. Поэтому неудивительно, что математика – неотъемлемая часть науки о природе. Математика – это необходимое условие логичности, и если мы и уверены в чем-то, так это в том, что природа может быть трудна для постижения, но она не бывает непоследовательна. (Только мы можем отличаться непоследовательностью.)

Я, однако, полагаю, что можно дать некоторое представление о физических концепциях с помощью весьма несложного математического аппарата, которым я и намереваюсь ограничиться. Позвольте привести аналоги. Лучше увидеть «Гамлета» на сцене, конечно, в хорошем исполнении, нежели просто прочитать пьесу. Это произведение было написано для театра, а не для чтения в кабинете. И все же, если прочитать «Гамлета», можно, обладая некоторым воображением, при желании довольно хорошо почувствовать смысл пьесы. И я надеюсь, что вы, если не в ходе наших бесед, то по крайней мере при более благоприятных обстоятельствах в будущем, поймете, что хотя математика и помогает восприятию, она все же не абсолютно необходима для того, чтобы получить представление о некоторых фундаментальных открытиях современной физики.

Во второй лекции я буду говорить о глубоких изменениях в нашем представлении относительно причинности, относительно детерминизма в природе, а больше всего о том, что мы подразумеваем и можем подразумевать под объективностью. Эти изменения оказались необходимыми для того, чтобы составить довольно точное представление об обычных свойствах материи, т. е. о тех свойствах, которые выявляются даже тогда, когда материю не подвергают мощному воздействию, осуществимому благодаря применению огромных ускорителей и существованию космических лучей. В данной же лекции мне хотелось бы коснуться некоторых изменений в представлениях о пространстве и времени. Обе эти темы являются вариациями проблемы о последовательности наших представлений о движении в пространстве и о том, что находится в пространстве, – о его поле или содержании.

Квантовая теория – плод трудов многих ученых. Думаю, все согласятся с тем, что Нильс Бор был душой этой блестящей плеяды. С другой стороны, хотя понятия пространства и времени разрабатываются с давних времен, они были революционизированы одним ученым, жившим в нашем веке. Можно считать, хотя бы в отношении некоторых аспектов этой проблемы, что если бы не он, эта революция не произошла бы. Имя этого человека – Эйнштейн.

Первая теория относительности, по крайней мере на Западе, была создана не в двадцатом веке. Она восходит к тринадцатому – началу четырнадцатого века и разрабатывалась парижской школой натурфилософов. Наиболее известные представители этой школы – Буридан и Орезме. Эта теория, безусловно, явилась этапом в развитии человеческой мысли. Для нее характерно то, что, относясь к области физики, она опиралась не на какие-нибудь усовершенствованные экспериментальные методы, а на здравый смысл и умение анализировать поведение вещей. Это было началом, без которого дальнейшее развитие науки почти немыслимо. Открытие заключалось в следующем: при анализе проблемы движения был сделан вывод, что равномерное движение, т. е. движение, при котором тело движется с постоянной скоростью, не требует какого-либо объяснения или установления причин, поскольку равномерное движение является естественным состоянием материи. Конечно, этот взгляд не соответствовал воззрениям схоластов; он не соответствовал точке зрения Аристотеля, который считал, что для того чтобы какой-то предмет двигался, на него надо оказывать постоянное воздействие. По мнению Аристотеля, единственным естественным состоянием является состояние покоя. Новое утверждение получило название теоремы толчка, которую мы сегодня называем теоремой количества движения. Смысл ее заключается в том, что равномерное движение тела не требует объяснения, а требует объяснения лишь изменение в импульсе тела, в его количестве движения. Этот взгляд, как вы знаете, представлял также точку зрения Галилея, и мы называем преобразование координат, которое подчеркивает беспричинный характер равномерного движения, преобразованием Галилея, хотя название было дано этому явлению без разрешения Галилея и без достаточных на то исторических оснований.

Сущность преобразования в следующем: поскольку равномерное движение беспричинно, между равномерно движущимися телами существует взаимное сходство и при описании их можно использовать аналогию.

Преобразование Галилея позволяет по координате x тела, находящегося в состоянии покоя в момент времени t, определить координату, время и скорость, наблюдаемые в системе, в которой указанное тело движется равномерно со скоростью v:

х’ = х + vt,

t’ = t.

Представьте, что какое-то тело находится в состоянии покоя в точке x и вы смотрите на него в момент времени t. Теперь предположим, что вы движетесь по отношению к данному телу со скоростью v. Тогда координата тела будет x’, время же при этом не изменится, а любая скорость V, которая может появиться в первоначальной системе, появится как новая скорость V’ в новой системе, таким образом, что

V’ = V + v.

Это и есть инвариантность Галилея – и это есть просто здравый смысл. Отсюда следует, что если частица просто движется в некотором направлении, то координата ее увеличивается в силу того, что частица находится в движении, время же не меняется под влиянием скорости, а скорости суммируются. Эта теорема толчка, разумеется, и есть первый закон Ньютона. Ньютоновские законы движения гласят, что силы, создающие ускорения, инвариантны при таком простом преобразовании.

Применяя законы Ньютона, невозможно отличить одно равномерное движение от другого. Они релятивистские в том смысле, что относительное движение можно наблюдать, – однако абсолютное движение, пока оно равномерно, т. е. пока оно происходит без ускорения, наблюдать невозможно.

Начиная с Ньютона и до самого конца XIX века физики на основании этих законов построили чрезвычайно точную и красивую науку, охватывающую механику небесных тел Солнечной системы, теорию газов, поведение жидкостей, упругие колебания, звук, – они построили столь стройную и разнообразную, всеохватывающую и, видимо, всесильную систему, что дальнейшее развитие даже трудно было предвосхитить.

Мне кажется, что единственное ясно выраженное сомнение относительно преобразования Галилея и механики Ньютона встретилось мне в труде Эйлера, написанном примерно за сто лет до появления теории относительности. Поскольку между фиксированной звездой и Землей имеет место относительное поперечное смещение, то звезда видна под углом, отличающимся от истинного направления. Эйлер установил, что при расчете данного отклонения в системе, связанной со звездой, и в системе, связанной с Землей, результаты не совпадали. В эксперименте разница была столь незначительна, что он не стал дальше рассуждать по этому поводу. Он лишь отметил наличие этой разницы.

Но в начале XIX века и с нарастающим напряжением в течение этого столетия велись исследования в другой области физики. Эти исследования не касались вопросов движения тел под действием сил тяготения. Они касались свойств света и электромагнетизма. В отличие от сегодняшнего дня в то время не возникал вопрос, является ли гравитация силой, действующей на расстоянии, или же сила притяжения распространяется непосредственно от одного тела к другому. В то время не было (да и сегодня тоже нет) надежных экспериментальных данных для установления разницы между этими двумя положениями. В принципе имеются хорошие средства для решения этой проблемы, и мы полагаем, что ответ нам известен, но мы его еще не проверили на практике. Что же касается электромагнитных сил, то здесь положение совершенно иное.

Мне думается, вы все наблюдали картину, которая получается, если на обычный стержневой магнит положить лист бумаги и насыпать железных опилок. При этом железные опилки создают совершенно определенный рисунок, образуя вокруг полюсов магнита линии, напоминающие параболы.

Уже в первой половине XIX века Фарадей наблюдал это явление. Он полагал, что пространство вокруг магнита, хотя и свободное от материальных тел, обладает физическим свойством, а именно наличием магнитного поля – силой, воздействующей на магнит. В самом деле, мелкие железные опилки играют роль магнитиков. Поле оказывает на них свое воздействие, они реагируют на него и поле проявляется через них. Подобно этому при приближении к заряженному электричеством стержню или шару предмета, имеющего заряд того же знака, возникает противодействующая сила, которая отталкивает его. Однако при приближении предмета с противоположным зарядом возникает притягивающая сила. Эти явления имеют место, когда объекты не находятся в соприкосновении: они порождаются неким свойством, характеризующим пространство, которое окружает электрический заряд или магнит. Фарадей говорил о силовых линиях и трубках, об электрических и магнитных потенциалах (это слово употреблено не в техническом значении), существующих в пространстве. Фарадей считал, что эти поля оживляют пространство. Поля можно было измерить: можно было определить их направление и их силу. Они были столь же осязаемы, как и реальные предметы, но они существовали в вакууме. В самом деле, поля действительно существуют в вакууме. Наличие атмосферы не имеет к ним никакого отношения. Они видоизменяются при наличии материальных тел, если таковые там присутствуют, но в то же время они существуют и в отсутствие этих тел. Конечно, это чем-то напоминает пресловутый эфир, т. е. пустое пространство, обладающее определенными свойствами.

Фарадей показал, что если быстро изменять магнитное поле, то появляется электрическое поле, а Максвелл теоретически доказал, что достаточно быстрое изменение электрического поля приводит к возникновению магнитного поля. Позже этот эффект получил подтверждение, хотя проверить его экспериментально значительно труднее, чем результат Фарадея. Действительно, Максвелл предсказал, что такого рода колебания поля, при которых электрическое и магнитное поля генерируют друг друга, могут свободно распространяться в отсутствие каких-либо зарядов и токов. Он произвел расчет скорости распространения колебаний и нашел, что она равна скорости света.

Таким образом, это поле Фарадея «деятельно». Оно не просто сосредоточено вокруг зарядов и магнитных диполей, оно передает электромагнитные волны. Оно передает все волны, которые питают телевизоры, управляют ракетами и позволяют нам благодаря радио наслаждаться замечательными плодами нашей культуры. Это поле передает свет и тепло, многие формы излучений высокой энергии – проникающие излучения, которые играют большую роль в ядерной физике. (Реальность созданных человеком длинных электромагнитных волн была установлена Герцем в конце XIX века.) Это густо заселенное пространство, которое полно всяких электрических и магнитных явлений, следующим образом связано с движущимися частицами: если мы имеем заряженный предмет, то он, безусловно, реагирует на силу тяготения (это универсальная сила), но он также реагирует на электрические поля, а если он в движении – то и на магнитные поля. Этот предмет ощущает дополнительный импульс, так как электрическое поле толкает его в направлении поля, а магнитное поле толкает его под прямым углом к полю и к направлению его собственной скорости. Законы этих воздействий на заряды были уже довольно хорошо изучены в конце прошлого и в начале нынешнего века, во всяком случае в той мере, в какой они касались предметов, движущихся не с чрезмерно большими скоростями. Однако концепция Максвелла о распространении электромагнитных волн света и вся основа его теории, равно как и интуитивное представление Фарадея о пространстве, сплошь заполненном полями, не согласовывались со свойством инвариантности Галилея. Это следует из общих соображений, так как если пространство заполнено электрическими и магнитными полями, оно не обязательно должно представляться тем же самым для наблюдателя, который движется по отношению к нему. Говоря более точно (и это действительно вызывает своего рода недоумение), надо отметить, что в соответствии с теорией Максвелла скорость света есть нечто фиксированное. Полученный им результат очень близок к наблюдаемым данным. Но если я движусь относительно среды, заполненной полями, то я должен как будто применить формулу V’ = V + v, из которой вытекает, что скорость видимого мною света составляет сумму (или разность) скорости моего движения и скорости света в среде. Скорость видимого мною света может быть больше или меньше, в зависимости от того, приближаюсь ли я к источнику света или удаляюсь от него. Именно это мнение и господствовало в конце прошлого и в начале нашего века. Однако оно было опровергнуто многочисленными косвенными методами и одним прямым экспериментом, одним из великих и решающих экспериментов в истории науки.

До того как эксперимент был проведен, представлялись возможными по крайней мере три альтернативы.

Во первых, можно было предположить, что существует система, в которой имеются электрические и магнитные поля, описываемые уравнениями Максвелла и подчиняющиеся им в своем поведении, и эта система уникальная; к ней применимо понятие абсолютного покоя, а все, что движется по отношению к этой системе, имеет вследствие своего движения другое физическое поведение. Принять такую альтернативу значило отказаться от закона инвариантности, полностью отказаться от идеи относительности, т. е. от относительности равномерного движения.

Во-вторых, можно было бы утверждать, что уравнения Максвелла, несмотря на то что они объясняют огромное множество явлений, в каком-то смысле неправильны, но сделать это было чрезвычайно трудно после полувекового успеха.

В-третьих, можно было бы сказать: «Относительность существует, и Максвелл прав, но уравнения Галилея не описывают преобразования относительности». Никто этого не сделал, пока положение не стало действительно отчаянным.

А положение стало отчаянным после проведения эксперимента Майкельсона – Морли. Готовясь к этим лекциям, я просмотрел записи лекций Эйнштейна, которое он читал в Принстоне в 1921 году. Говоря об эксперименте Майкельсона – Морли, он сказал, что считает результаты эксперимента известными его слушателям. Я подумал, что мне не следует поступать точно так же, как он, поскольку этот опыт был сделан довольно давно. Майкельсон измерил время, которое потребовалось свету, чтобы пройти небольшой путь туда и обратно в лаборатории. При этом он хотел проверить, будет ли получен один и тот же результат, если свет идет параллельно направлению движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярно к нему. Ожидаемая разница должна быть чрезвычайно незначительной, и нужна была большая виртуозность, чтобы обнаружить ее.

Майкельсон проделал указанный эксперимент, повторил его снова и снова. Приборы Майкельсона обладали достаточно высокой чувствительностью, чтобы измерить скорость движения Земли относительно эфира (если он существует), регистрируя изменение скорости света в зависимости от того, движется ли Земля в том или ином направлении по отношению к эфиру – среде, где сконцентрировано электромагнитное поле, – или вообще неподвижна по отношению к нему. Он получил нулевой результат. Это было столь неожиданным, что эксперимент повторялся на протяжении десятилетий со множеством усовершенствований и во многих вариантах. Надо ли говорить о травмирующем характере ответа!

Таким образом, нельзя полагать, что скорость света зависит от скорости его источника. Нельзя сомневаться в правильности уравнений Максвелла во всех координатных системах. Нельзя также сомневаться в том, что преобразование Галилея не является точным описанием, это лишь приближённое описание того, что происходит, когда наблюдаемая система находится в состоянии равномерного движения по отношению к нам.

Три человека нашли решение, но только один из них сразу же осознал весь его смысл. Этим человеком был Эйнштейн.

Эйнштейн сказал: «Постараемся понять ситуацию, обусловленную тем, что мы не можем поддерживать связь со скоростью, превышающей скорость светового сигнала». Исходя из обычных эталонов, это довольно большая скорость (3 × 10 см/сек). В нормальных условиях мы не заметим никакого ограничения. Наши велосипеды никуда от нас не убегут. Но эта скорость – конечная, что вносит большое изменение в концепцию.

При отсутствии мгновенной связи и при необходимости сравнить информацию в двух различных пунктах следует принимать во внимание время, необходимое для того, чтобы сообщение пришло из одного пункта в другой и обратно. Например, пусть требуется синхронизировать двое часов, находящихся на большом расстоянии друг от друга. (Часы должны быть однотипными, желательно, чтобы они были «естественными», например «атомными», так как это гарантирует их идентичность.) Естественно было бы установить одни часы на среднее время между временем выхода сигнала с противоположного пункта и временем его получения после отражения. Понятие одновременности, которое интуитивно представляется чем-то таким, что не должно зависеть от какого-либо движения, вполне достоверно, когда предметы находятся в одной и той же точке пространства. Но это понятие перестает быть достоверным, если указанные предметы разделены большими расстояниями и если речь идет об относительных движениях со скоростями, приближающимися к скорости света.

Отсюда вытекает, что если действительно нельзя посылать сигналы со скоростью, превышающей скорость света, и если представление о такой возможности физически противоречиво, то следует говорить об относительности понятия одновременности, т. е. о зависимости суждений об одновременности от скорости.

Существуют также и другие физические эффекты, регистрируемые приборами, предназначенными для измерения времени и расстояния. Поясняю, что под словом «часы» я понимаю устройство, предназначенное для измерения с максимально возможной точностью определенных промежутков времени. Под словом «расстояние» я подразумеваю нечто, измеряемое линейкой, которая калибрована на основании дистанционного сравнения с эталоном метра, находящимся в Париже. Таким образом, часы и линейки являются физическими предметами.

Чтобы не было противоречия с фактом существования предельной скорости, которая является не бесконечной, а конечной скоростью света (обычно обозначаемой с), необходимо отказаться от преобразования Галилея и заменить его новым преобразованием – преобразованием Лоренца, которое получило свое название по фамилии ученого, впервые выразившего его в математической форме. Это преобразование должно определять координату точки x и время t, если смотреть на эту точку из системы, движущейся равномерно с некоторой скоростью – v:

Это чрезвычайно простое преобразование Лоренца; здесь v – относительная скорость обеих систем, а γ – некоторый коэффициент, близкий к единице, когда скорость v невелика по сравнению со скоростью света c, и становящийся бесконечным (тем самым определяя предел применения этих преобразований) по мере приближения величины v к скорости света c. Более того, это преобразование ясно показывает предельный характер скорости света.

Итак, вы видите, что интервал длины в одной координатной системе окажется уменьшенным в отношении 1/γ при наблюдении в движущейся относительно него координатной системе.

Вы видите также, что в различных координатных системах часы будут показывать разное время, причем разница не только в масштабах, но зависит и от местонахождения часов. Вот в чем соль суждений об одновременности. Кроме того, длительность процесса t, измеренная в системе, в которой предмет находится в состоянии покоя, увеличивается, преобразуясь в величину γt, если наблюдатель движется относительно данного предмета со скоростью V.

Итак, движение сокращает отрезки длины и увеличивает промежутки времени; оба эти обстоятельства учтены в преобразовании Лоренца. Далее формула преобразования скорости V’ показывает, что если сложить две скорости, весьма близкие к скорости света, то все равно превысить скорость света не удастся; удастся лишь несколько приблизиться к ней.

Это вполне последовательная система не позволяет рассуждать о свойствах относительного движения со скоростью, превышающей скорость света, но она показывает, как толковать поведение реальных часов, стержней, атомов и всего прочего. Указанные уравнения дают инвариантное описание физических явлений, описание, не зависящее от характера относительного равномерного движения, одинаково пригодное как для одной системы, так и для другой. Этот формализм придает новое выражение старой теме Буридана, утверждавшего, что равномерное движение не требует причины; однако теперь с установлением совершенно новой закономерности, которую нельзя было предвидеть на основе обычного опыта и в соответствии с которой движение предметов со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, получается, что аналогом бесконечной скорости является скорость конечная.

Если принять эту точку зрения, то, естественно, возникает вопрос, остаются ли инвариантными не только уравнения электромагнитного поля Максвелла, но и уравнения движения заряженных и нейтральных частиц, имеют ли они все одинаковое содержание, независимо от системы координат, в которой мы описываем явления, при условии, что речь идет только о равномерном движении. Разумеется, так мы поступаем, рассуждая и о самых обычных вещах. Если, например, в задаче имеется полная симметрия, без выделения какого-либо направления, то нам наверняка захочется рассуждать таким образом, чтобы сохранить эту симметрию в нашем описании; если в пространстве нет ничего, что делало бы одну точку отличной от другой, то нам захочется дать такое описание, которое было бы одинаково верным как в городе Чикаго, так и в городе Гамильтоне[2].

Подобно этому, в данном случае нам хотелось бы получить описание, которое было бы в равной мере верным независимо от относительной скорости рассматриваемых предметов или от того, что делает наблюдатель в момент наблюдения за этими предметами.

Такое предположение было сделано и относительно уравнений механики, и сразу же стало понятно, что уравнения Ньютона неверны. Это ясно a priori, так как если ускорение пропорционально силе и обратно пропорционально массе, то нет никаких причин для того, чтобы не достигнуть скорости, превышающей скорость света. Следовательно, что-то мешает этим силам быть столь эффективными, указывая на то, что масса тела фактически не постоянна. В самом деле, если теоретическая механика должна согласовываться с требованием постоянства скорости света и относительности в этом ограниченном смысле, то масса тела должна следующим образом увеличиваться с возрастанием скорости:

Здесь m_0 — масса покоящегося тела, а m – масса тела, движущегося со скоростью V. Это и есть источник плодотворных размышлений Эйнштейна, так как если масса тела растет вместе со скоростью, то возрастает и его кинетическая энергия. Закон изменения кинетической энергии определяется соотношением

ΔΤ = c^2 Δm

Здесь ΔT – изменение кинетической энергии,

а Δm – соответствующее изменение массы.

Поскольку общее количество энергии в системе не исчезает и не увеличивается, а сохраняется, то соображения относительно изменения кинетической энергии справедливы и для всех видов энергии вообще; следовательно, изменение энергии и изменение массы взаимосвязаны, причем изменение энергии равно изменению массы, умноженной на квадрат скорости света. Этот случай было бы неплохо пояснить математически, что сэкономило бы время; но это есть прямое и неизбежное следствие чисто кинематических связей, которые я выразил письменно с помощью преобразования Лоренца.

Еще один важный момент заключается в том, что это преобразование в гораздо большей степени выражает взаимосвязь понятий пространства и времени, нежели преобразование Галилея. До известного предела нельзя считать пространство и время взаимозаменяемыми. Они различны по присущему им характеру. Часы есть часы, а линейка есть линейка. Линейкой нельзя измерять время, а часами нельзя измерять координаты. Но и то и другое меняется при относительном движении. Разумеется, вы не ограничены только прямолинейным движением относительно исследуемого предмета, вы можете повернуться или переместиться в иную точку пространства. Весь комплекс движений, как то: вращение, параллельный перенос (выбор иного начала координат, т. е. иной исходной точки), а также равномерное движение в каком-либо направлении – все это вместе составляет замкнутое множество операций, образующих группу Лоренца. С помощью указанных операций нельзя преобразовать какой-либо пространственный интервал во временной и наоборот. Однако с их помощью можно изменить «направление» пространственного отрезка и придать ему некое временное качество. То же можно проделать и с временными отрезками.

Эта система – специальная теория относительности, – которая правильно предсказывает поведение стержней и часов при движении, стала абсолютно всепроникающей чертой физики. Она используется буквально во всех областях ядерной физики, во многих областях атомной физики и во всех областях физики, изучающих элементарные частицы. Эта теория проверялась и перепроверялась многими различными способами. Она представляет собой богатейшую часть нашего научного наследия. Например, многие частицы, создаваемые в атмосфере космическими лучами, неустойчивы. Им присуща естественная тенденция распадаться с превращением в другие частицы. Но при чрезвычайно быстром движении частиц скорость распада уменьшается. Соответствующее правило выражается следующим простым образом:

где τ — скорость распада, когда частицы находятся в состояния покоя, а τ’ — скорость распада при движении частиц со скоростью V. Это явление можно наблюдать, и оно весьма наглядно. Мы еще не наблюдали случаев, чтобы люди оставались молодыми, однако мы наблюдаем миллиарды нестареющих частиц.

Еще один момент, который несколько выпадает из хронологического порядка. Я уже упоминал о вращениях, параллельных переносах и равномерных движениях, входящих в группу Лоренца, но есть и еще одна часть группы Лоренца, которая не столь просто связана с этими операциями. Вращая правую руку, нельзя превратить ее в левую. Добиться того, чтобы одна рука была конгруэнтна другой, можно только с помощью зеркального отображения. Можно попытаться вертеть руками туда и сюда, но превратить с помощью вращения одну руку в другую невозможно. Можно было бы подумать, что если вращение не вызывает никакой физической разницы, то и зеркальное отражение также ее не вызовет: если пространство столь изотропно, что в нем нет никакого выделенного направления, то не будет иметь никакого значения, является что-то правым или левым. Оба расположения, казалось бы, равновероятны, и все дело только в случайном характере асимметрии человека.

В этот закон инвариантности верили по крайней мере лет тридцать. Было обнаружено множество блестящих примеров, позволяющих классифицировать состояния атомных и ядерных систем в зависимости от того, оставались ли они неизменными в результате зеркального отражения или же в результате такого отражения их знак менялся. В обоих случаях можно было сказать, что при любом допустимом в физике движении или явлении зеркальное отображение также возможно. Если можно сделать так, чтобы вращалось колесо и при этом стрелка была направлена вверх, то можно оставить колесо вращающимся в том же направлении, но изменить лишь направление стрелки, а это будет зеркальным отображением. Такие вещи существуют в физике. В самом деле, нейтрино является ярким примером этого. Лишь несколько лет тому назад возникло сомнение в том, что любая система в природе обязательно имеет зеркальное отображение, лишь бы оно было совместимо с законами природы. Сомнения эти вызывали столь большое беспокойство и были столь глубокими, что Ли и Янг решили провести специальное исследование и обнаружили, что в случае определенного класса очень слабых сил и очень медленных реакций это правило фактически не получает экспериментального подтверждения. И они, вернее, не они, а их друзья, поставили эксперименты и установили, что в этом конкретном проявлении природа отдает решительное предпочтение правым, а не левым системам, но в других случаях она отдает предпочтение обратным системам. Это очень странно и чрезвычайно неожиданно, но возможно лишь потому, что нельзя с помощью вращения или параллельного переноса получить зеркальное отображение.

Теперь мы более или менее убеждены в том, что если какая-либо конфигурация возможна, то возможно и зеркальное отображение при условии полной замены положительных зарядов на отрицательные и наоборот и обратного движения во времени. Но это единственное, что нам твердо известно.

Теория относительности вторглась во все области физики. Хотелось бы подчеркнуть, что весьма странные вещи, кажущиеся нередко парадоксальными, которые нашли свое воплощение в специальной теории относительности, на самом деле не являются парадоксальными в том смысле, что их нельзя толковать как противоречия между различными экспериментами. Они не находятся в противоречии с природой, однако вносят большое изменение в те воззрения, которые сложились за минувшие столетия как у ученых, так и у рядовых людей, воззрения, ставшие для них привычными за всю историю человеческой мысли. То, что свет движется со скоростью, которую нельзя ни увеличить, ни уменьшить путем перемещения источника света, что предметы сокращаются, когда они находятся в движении, что процессы, происходящие во время движения, замедляются, в особенности если движение происходит при скоростях, близких к скорости света, – все это составляет новые элементы картины природы. Теория же относительности придала согласованность и осмысленность связям между этими явлениями. Такие сокращения предметов и замедления событий, конечно, взаимны, и это несколько парадоксально. Довольно трудно себе представить, что если движущийся относительно вас объем материи сплющивается в направлении своего движения, то и себя вы должны увидеть сплющенным, случись вам оказаться связанным с этим объемом материи и посмотреть на себя из исходного положения; тем не менее это так; то же относится и ко времени. Это и есть сущность парадокса близнецов. Верно и то, что при изменении массы может произойти соответствующее чудовищное изменение энергии. Знание этого одновременно и обнадеживает, и настораживает нас. Нельзя быть уверенным в том, что по мере вторжения в миры чрезвычайно малых размеров (я имею в виду не обычные атомные размеры, а размеры в несколько миллионов раз меньше) мы сможем точно представить себе, что означает утверждение: «Ничто не может двигаться быстрее света». Мы, однако, убеждены, что ставим под сомнение не то, что не может быть скорости, превышающей скорость света, а так называемое понятие «ничто». Нам не совсем ясно, что означает «ничто» в этой области.

Сейчас я подхожу к обобщению теории относительности, которая охватывает обширную область, начиная с вопросов неравномерных движений и кончая вопросами природы тяготения. Общая теория относительности весьма непохожа на любую другую часть физики и, как я уже говорил, является чем-то таким, что мы, возможно, начали бы постигать только сейчас, если бы Эйнштейн не сделал этого более сорока лет тому назад. Частично это является следствием того, что гравитация, по сравнению с электричеством, – чрезвычайно слабая сила, которая может проявляться только тогда, когда речь идет о довольно больших телах, таких как Земля, Солнце, и даже меньших телах, но не о телах, соизмеримых с атомом. Поэтому экспериментальное изучение гравитационных явлений представляет труднодоступную задачу, так как объекты исследования слишком велики, чтобы ими можно было свободно манипулировать.

Можно было бы предположить, что гравитация подобна электричеству в том смысле, что она создает в вакууме поля, которые можно измерять и которые распространяются со скоростью света. В какой-то мере это верно, но тут есть два огромных различия. Первое заключается в следующем: одноименные заряды отталкиваются, в то время как любые массы притягивают друг друга. Это уже означает, что сущность данных явлений не может быть одной и той же. Другое различие состоит в том, что гравитация – явление универсальное; все тела подчиняются одним и тем же закономерностям, когда на них действует лишь одна сила тяжести; об этом говорит принцип эквивалентности, сформулированный Галилеем. Однако если вы попытаетесь разработать теорию тяготения, подобную, насколько возможно, теории электричества или теории магнетизма (а такие попытки предпринимались только в течение последнего года или двух), то окажется, что в противоположность строго предопределяемым эффектам воздействия равномерного движения на результаты измерения влияние гравитационных полей на поведение линеек и часов является более сложным и глубоким.

Если вести эти исследования и дальше, то неизбежно будут сделаны два вывода, свидетельствующие, что тяготение существенным образом отличается от электричества и магнетизма.

Во-первых, в результате воздействия тяготения на стержни и часы измеряемое ими пространство, которое на небольшом протяжении и в течение короткого времени всегда кажется плоским, на большом протяжении оказывается искривленным, подобно поверхности двухмерного яйца. Кривизна пространства может изменяться от точки к точке и сама является выражением гравитационных воздействий, происходящих в данном пространстве.

И во-вторых, поскольку поле тяготения, так же как и электромагнитное поле, обладает потенциальной энергией и поскольку тяготение создается любой массой, а следовательно, любой энергией, тяготение создает тяготение и гравитационные поля не являются линейными в том смысле, что, если имеется две гравитационные волны, эффект одной не просто накладывается на эффект другой, а эти волны взаимодействуют. Точно так же, если вокруг Солнца имеется гравитационная волна и гравитационное поле, они взаимодействуют. Ко всем этим выводам можно прийти довольно банальным путем – на основании аналогии с электричеством и магнетизмом.

Подход же Эйнштейна был совершенно иным. Он изучал вопрос с двух точек зрения. Во-первых, с точки зрения единообразия движения в гравитационном поле, что привело его к возможности геометрического толкования явления. Во-вторых, с точки зрения того, что принцип относительности в философском аспекте не следует ограничивать рамками равномерного движения.

Если вокруг нет ничего, как можно установить, происходит ускорение или нет? Это можно определить только в сравнении с чем-то, что не имеет ускорения. Но ведь известно, что ускоренное движение отличается от равномерного, поскольку последнее мы не чувствуем, в то время как ускорение ощущается нами, а кроме того, различные явления реагируют на него.

Эйнштейн обнаружил, что равномерное ускорение во всех своих физических проявлениях есть абсолютно то же самое, что и однородное гравитационное поле. Это еще один из принципов эквивалентности. Поэтому Эйнштейн пришел к мысли, что проблема изучения неравномерных движений и проблема объяснения гравитации взаимосвязаны и даже идентичны.

Если вы движетесь в некотором свободном от каких-либо объектов пространстве, вы не можете сказать, как велика ваша скорость, покуда не сравните свое движение с каким-либо другим телом, например с Землей, Солнцем или звездами. При движении же рывками, с ускорением и замедлением, можно даже при задвинутых шторах, без каких-либо ориентиров определить, что что-то происходит, и даже измерить происходящие изменения. Поэтому нельзя говорить об относительном характере движения вообще, движения по кругу, движения с ускорениями и замедлениями, движения рывками в железнодорожном вагоне, так как внутри движущегося предмета (железнодорожного вагона, лифта или ракеты) можно ощущать толчки, тягу, повороты, рывки и т. п., а также измерять все это с помощью приборов. Можно было бы сказать, что относительное равномерное движение в самом деле относительно, что ни один закон природы не должен оказывать предпочтения одному виду такого движения в ущерб другому, но ускоренные движения, хотя бы те, которые имеют место в нашей части Вселенной, не относительны, так как рывки нами явно ощущаются. Тем не менее теория Эйнштейна об ускоренном движении называется общей теорией относительности. Этот термин неудачен. Теорию Эйнштейна скорее следовало бы назвать общей теорией неотносительности, если бы не один ключевой момент чрезвычайной важности, который хотя и был ранее известен, был осознан и выдвинут на первый план только Эйнштейном.

Находясь в ящике, из которого невозможно выглянуть, в котором можно делать лишь внутренние измерения, человек, ощущающий равномерное ускорение, не может определить, вызвано ли это ускорение прямым воздействием на ящик какой-либо силы или же указанное ощущение вызвано однородным гравитационным полем. Проще всего это подтверждается свободным падением, во время которого можно заметить, что ни тяготение, ни ускорение не ощущаются. На самом же деле и ускорение, и гравитационное поле налицо, но они взаимно аннулируют друг друга. Не следует это проверять, выпрыгивая из окна, но если человек часто летает на самолетах, то он может оказаться в подобном положении. Поэтому Эйнштейн пришел к выводу, что изучать движение более общего характера можно только с учетом явлений гравитации. Надо сказать, что этот принцип (т. е. то, что гравитационные поля и ускорения в значительной мере эквивалентны) часто называется принципом эквивалентности. Он тесно связан с принципом Галилея, гласящим, что если действуют исключительно гравитационные силы, то все тела движутся одинаковым образом. Если бы принцип Галилея был иным, нельзя было бы заменить гравитацию ускорением, которое для всех тел явно одинаково. В формулировке Эйнштейна теория гравитации и теория общего движения неразрывно связаны.

Но эту проблему можно, кажется, решить более прямым путем, и в последние годы был разработан менее блистательный метод. Можно предполагать, что гравитационные силы, так же как и электромагнитные, являются дальнодействующими силами, влияние которых медленно ослабляется по мере увеличения расстояния. Отсюда вытекает, что теорию гравитации, естественно, следует строить по аналогии с интуитивными представлениями Фарадея и уравнениями Максвелла, описывающими явление электромагнетизма, поведение электромагнитных волн, а также поля вокруг магнитов и зарядов. Однако с самого начала необходимо учитывать один немаловажный факт, определяющий различие между этими явлениями, а именно: в то время как одноименные заряды отталкиваются, любые массы взаимно притягиваются. С учетом всего сказанного можно получить результат, который воспроизводит теорию тяготения Ньютона для не слишком сильных полей (а в мире, возможно, вообще не существует сильных гравитационных полей), которые, кроме того, не слишком быстро меняются во времени, так что вопрос о конечности скорости света не играет никакой роли. Такая теория включает оба принципа эквивалентности, как принцип Галилея, так и принцип Эйнштейна. Помимо того, из нее вытекают некоторые интересные физические следствия, которые также были предсказаны Эйнштейном. Например, обе теории предсказывают, что при падении света в гравитационном поле он становится более синим, так как частота увеличивается, а длина волны уменьшается и свет из красного превращается в синий. Недавно в Гарвардском университете был проведен чрезвычайно точный и, по-моему, очень изящный эксперимент. Во время этого эксперимента свет свободно падал с третьего этажа здания физического факультета в подвал. Можно было наблюдать степень увеличения голубизны света, которая соответствовала относительному изменению длины волны на 10−14, что не так уж много. Кроме того, как и предвидел Эйнштейн и как ранее предполагалось другими учеными, свет при прохождении через гравитационное поле вблизи Солнца или вблизи какой-либо звезды отклоняется.

Наконец, и это важнее всего, если еще дальше развивать аналогию между гравитацией и электромагнетизмом, окажется, что между ними существует одно очень большое и глубокое различие.

Чтобы объяснить причину этого различия, потребуется не так уж мало писать на доске. Однако чтобы понять, в чем заключается суть различия, много писать, по-моему, не придется.

Я буду применять слово «пространство» для обозначения четырехмерного многообразия, состоящего из привычного трехмерного мира, к которому добавлено четвертое измерение – время; последнее нельзя полностью и безоговорочно отделять от пространственных интервалов, поскольку эти понятия взаимосвязаны, как мы уже выяснили при рассмотрении равномерного движения. При исследовании пространства с помощью простых линеек и часов оказывается, что это реальное пространство не есть пространство Евклида, это не есть пространство геометров-классиков, поскольку оно имеет некую структуру и некие присущие ей искажения. Это не есть пространство, которое изображается на бумаге и измеряется при помощи линейки. Весьма трудно представить, по крайней мере мне, четырехмерные континуумы, в особенности если одно из измерений не расстояние, а время. Но можно ведь представить обычную двухмерную плоскость и предположить, что четырехмерный континуум – аналогичная математическая абстракция, которая легко поддается математическому описанию, но которую визуально представить себе намного труднее.

То, о чем мы говорим, не есть аналог плоской поверхности, а аналог чего-то имеющего своеобразно изогнутую форму. Локально, в пределах небольших размеров любая искривленная поверхность, если у нее нет хребта, ровная и выглядит как плоскость. Но если по ней пройти некоторое расстояние, то присущее пространству искажение начинает явственно выступать. Например, сумма углов треугольника не составит развернутый угол (180°), и теорема Пифагора не будет правильной. Кроме того, здесь возникнут многие геометрические осложнения. В достаточно сильном и неупорядоченном гравитационном поле такого рода искажения выражаются в характере пространства и времени, и их даже можно обнаружить путем конкретных измерений. Отсюда вытекает, что, если принять гравитационную аналогию электромагнетизма, можно прийти к результатам, подобных которым нет в электромагнетизме. И если внимательно к ним присмотреться, можно обнаружить, что это и есть теория Эйнштейна или же что-то весьма близкое и подобное теории Эйнштейна.

Но сорок пять лет назад Эйнштейн шел не этим путем. Он разработал свое описание гравитации на основе нескольких довольно общих идей. Одна из них – это идея о том, что силы гравитации определяются материей и находят свое выражение в геометрии пространства – времени. Каковы же определяющие свойства материи? Конечно, не цвет, а те свойства, которые явно относятся к ее массе, энергии, импульсу или инерции, и другие, связанные с этими характеристики, дающие вместе целостное представление о материи. В данном случае я бы добавил, что электричество и магнетизм, поскольку они обладают энергией, также дают свой вклад в гравитационные поля. Другой важный момент заключается в том, что неотъемлемые свойства геометрии целиком определяют силы гравитации, которые действуют на тела. Мы употребили термин «неотъемлемые», чтобы подчеркнуть, что нас не интересует вопрос о геометрической интерпретации в терминах пространственных координат; нас интересует вопрос о тех свойствах, которые определяют структуру пространства – времени. Таким образом, с одной стороны, «неотъемлемая» геометрия определяется распределением материи, а с другой – реакция материи на тяготение целиком определяется геометрией.

В самом деле, материальное тело в пространстве – времени движется по наиболее «прямой» линии, определяемой характером геометрии.

Из этих двух основных моментов и исходил Эйнштейн, но они не привели его ни к чему определенному.

Кроме того, Эйнштейн рассмотрел те предельные случаи, для которых ему был известен правильный ответ. Один из них – теория тяготения Ньютона, которая, как я уже сказал, верна для не слишком сильных полей, если последние не подвергаются со временем слишком большим изменениям. Второй случай соответствует утверждению, что пространство и время в пределах достаточно малой области должны быть плоскими и в этой области справедливы преобразования Лоренца специальной теории относительности.

Это и есть четыре элемента, так называемые четыре постулата Эйнштейна. Пятый постулат, который никто никогда не сможет истолковать, состоит в том, что теория должна быть простой. В этом случае я бы сказал, мы стоим перед тем фактом, что лишь изобретя правильную систему обозначений и исходя из правильных математических идей, можно сделать вывод о простоте или сложности той или иной теории. После долгих мучений и многих лет безуспешных попыток, т. е. после многих лет, в течение которых изложенные мною идеи физики стали уже ясными, Эйнштейн наконец натолкнулся на раздел математики, созданный другими учеными, который явился идеальным средством для изложения на бумаге вопросов гравитации и общей теории относительности[3].

И все те, кто сегодня тщетно пытается придать этой теории более прозаический характер, не могут не восхищаться богатством воображения, смелостью и красотой того, что сделал Эйнштейн. Что же касается правильности или ошибочности его теории – это уже другой вопрос.

Она, безусловно, правильна во всех тех частностях, о которых я говорил. Но пока что имеется очень немного экспериментальных данных, подтверждающих специфические черты этой теории, черты, которые не имеют ничего общего ни с электромагнитной теорией, ни с плоской пространственно-временной структурой, ни с теорией Ньютона. Мы, быть может, долго ждали того, что мы уже узнали, но я не встречал ни одного физика, который бы не считал, что в действительности теория Эйнштейна родилась все-таки на основании замечательных догадок. Однако нет никаких данных, которые опровергли бы эту теорию. Таким образом, проблема пространства – времени еще не завершена. Я не беру на себя смелость говорить о том, что будет дальше, но ясно, что нерешенные вопросы есть еще в двух крайних областях.

Одна из них касается масштаба того огромного, что охватывает все, что мы видим в телескопы и слышим с помощью радиотелескопов. Имеются в виду расстояния, превышающие пять – десять миллиардов световых лет, которые сейчас являются пределом. Мы видим, что Вселенная стремительно расширяется; мы еще не установили в деталях ее пространственную структуру. Вопрос о том, является ли пространство (сейчас я не говорю о времени) конечным или бесконечным, полностью открыт, так как ответа на него сегодня нет, да и вряд ли будет в ближайшем будущем. Эйнштейн считал, что пространство конечно, но это было потому, что он считал все устойчивым и статичным. Изучая пространство, мы видим, что характерной особенностью является движение; чем глубже мы заглядываем, тем больше возникает новых вопросов, тем стремительнее удаляются от нас объекты; и мы не в состоянии ответить, прекратится ли этот процесс или будет длиться вечно, и есть ли предел тому расстоянию, которое мы можем наблюдать.

Другая область – это еще один нерешенный вопрос, о котором я уже упоминал. Дело в том, что когда мы переходим к весьма малым размерам (я имею в виду не размеры атомов и даже ядер, а размеры тех объектов, из которых они состоят), то нельзя с точностью установить, до какого предела возможно различать близлежащие точки в пространстве и времени и в какой мере разделение таких точек имеет смысл. Но скажу одно. Здесь дело не в искривлении пространства, ибо в этом случае гравитация представляет силу, которой вполне можно пренебречь; кроме того, предполагается, что скорость света и в этом случае является конечным пределом, ограничивающим скорость распространения всех физических возмущений или сигналов. Исходя из этого предположения, можно сделать далеко идущие выводы, и по сей день ни один из этих выводов не был опровергнут опытом, являющимся одним из могучих орудий современной физики.

Атом и поле

Моя сегодняшняя лекция посвящена квантовой теории, которая берет начало от двух параллельных и даже взаимно дополняющих друг друга исторических источников. Первый из них – это свойства электромагнитного излучения (но не те, которые имеют значение для теории относительности), второй – стремление познать структуру атома. Говоря о структуре атома, я имею в виду атомы, с которыми имеет дело химик или специалист в области спектроскопии, а не атомы, с которыми имеет дело физик, работающий на гигантском ускорителе. Второе направление также представляет интерес, но фактически оно возникло в течение последних десятилетий и как следует не разработано, тогда как квантовая теория приобрела почти законченный вид еще тридцать пять лет назад.

Касаясь вопроса об электромагнитном излучении, следует прежде всего еще раз несколько подробнее остановиться на том, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, переменное же электрическое поле генерирует магнитное, и этот процесс перекачки порождает электромагнитные волны. Эти волны обладают весьма важными, глубокими, хотя и несколько абстрактными свойствами, которые являются общими для всех других явлений, именуемых физиками волновыми процессами. Всякая электромагнитная волна характеризуется векторами электрической и магнитной напряженности, которые колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях; в частности, они могут совершать периодические во времени колебания, принимая то положительное, то отрицательное направление и обращаясь в нуль при переходе от одного к другому; эти векторы могут колебаться в противоположных фазах, так что когда напряженность электрического поля равна нулю, напряженность магнитного поля максимальна, и наоборот; и все это движется со скоростью света в направлении, перпендикулярном к напряженности как электрического, так и магнитного полей. Это один из видов электромагнитных волн, рассмотрением которых мы и ограничимся.

Рис. 1

Волна характеризуется тремя параметрами: длиной волны λ, частотой колебаний v и скоростью распространения c. Длина волны измеряется расстоянием между двумя соседними максимумами вектора электрической напряженности. Частота определяется скоростью изменения электрического поля в данной точке со временем. Произведение этих двух величин есть скорость распространения волны, равная для электромагнитной волны скорости света, так что c = λv. Можно определить длину и частоту любой волны, например звуковой волны или волны, образующейся на поверхности воды. Произведение этих величин тоже определяет скорость волны, т. е. соответственно скорость звука и скорость движения гребня волны, распространяющейся в воде.

Важное свойство любого волнового процесса, будь то распространение электромагнитных волн, распространение звука, колебание водной поверхности (в последнем случае особенно легко наблюдать явление, о котором идет речь ниже), заключается в следующем. Если две волны перекрываются в некоторой области пространства и времени, то они взаимодействуют и соответствующие возмущения складываются. Например, напряженность электрического поля, обусловленного двумя электромагнитными волнами, равна сумме напряженностей электрических полей каждой волны в отдельности. То же относится и к напряженности магнитного поля.

Это означает, что при наложении двух волн электрические поля могут либо складываться (рис. 2, б), либо гасить друг друга (рис. 2, а) в зависимости от взаимного расположения волн.

Весьма важно отметить, что интенсивность света или электромагнитного излучения, переносимая ими энергия и многие количественные характеристики вызываемых ими эффектов пропорциональны не напряженности электрического поля, а квадрату напряженности.

Рис. 2

Глядя на рис. 2, вы видите, что волны при интерференции могут складываться, в результате чего амплитуда волны удваивается (рис. 2, б) и, следовательно, учетверяется ее интенсивность; но волны могут также и гасить друг друга, как показано на рис. 2, а, где одна волна с достаточно большой положительно амплитудой полностью гасится другой, с такой же по величине, но отрицательной амплитудой.

Таковы общие свойства волн, которые я считал нужным изложить, и сделал это, надеюсь, не совсем необоснованно. На них мы будем ссылаться в течение всей сегодняшней лекции. Следует помнить, что эти свойства характерны для всех видов волн: волн на поверхности воды, звуковых и всех электромагнитных, в том числе самых длинных радиоволн, используемых для радиопередач, микроволн, тепловых, световых, ультрафиолетовых, рентгеновских, вплоть до самых высокочастотных, которые могут вообще существовать.

Одно из следствий этого свойства волн заключается в том, что световые волны от разных источников могут интерферировать. Для иллюстрации приведу лишь два примера. К одному из них мы еще вернемся.

Рис. 3

На рис. 3 показаны источник S – диафрагма с очень узкими щелями – и выходящие из этих щелей расходящиеся световые волны. Кривые линии обозначают гребни световых волн: в точках совпадения гребней свет особенно интенсивен, а в точках совпадения гребня со впадиной волны света нет вообще. Таким образом, наличие этих двух отверстий создает чередование ярких и затемненных областей, явление, которому нельзя было бы дать объяснения, рассматривая распространение света от каждой щели в отдельности, и которое характеризуется длиной волны и расстоянием между щелями. Если бы было много щелей, расположенных на одном и том же расстоянии друг от друга, свет распространялся бы от них в определенных направлениях, определяемых соотношением между длиной волны и расстоянием, разделяющем щели. Такой набор щелей называется решеткой.

Сотни экспериментов показали, насколько изящно можно объяснить явления распространения света, такие как отражение, прохождение через щели, дифракция на решетке и дисперсия, с помощью простых представлений об интерференции световых волн. До сегодняшнего дня не возникает ни малейшего сомнения в правильности такого описания. К нему прибегают всякий раз при проектировании радиолокационной антенны, а также при анализе вопросов электромагнитного излучения и его распространения вблизи различных объектов. Свет или радиоволны от различных зазоров сходятся, причем результирующая интенсивность зависит от разности фаз взаимодействующих волн. В этом аспекте волны являются абстрактными в том смысле, что движение материи отсутствует и нет никакого движущегося эфира. В то же время эти волны конкретны, поскольку существуют электрические и магнитные поля, те самые, о которых столько мечтал Фарадей, поля, поддающиеся измерению. Гребень каждой волны соответствует значению максимальной напряженности электрического поля в определенный момент времени, а каждая впадина – значению максимальной напряженности магнитного поля в каждый момент времени. (Проводить такие измерения для световых волн чрезвычайно утомительно, но когда речь идет о длинных радиоволнах, то дело сводится к довольно простому эксперименту, который хотя многому и не научит, но зато подтвердит здравость вашего ума.) Но вот на рубеже прошлого и нынешнего веков этой гармоничной картине природы электромагнитного излучения был нанесен сильный удар, после которого она уже не смогла приобрести прежний вид. Чтобы объяснить случившееся, лучше было бы вообще не касаться истории, но я расскажу, как открыл это Планк.

В газе, состоящем из молекул, каждая молекула в среднем обладает одной и той же энергией, которая является мерой температуры газа. Если вы имеете электромагнитное поле в некотором замкнутом объеме, то может показаться, что волна данной длины должна обладать примерно той же энергией, как и любая другая, и эта энергия пропорциональна температуре материи, образующей замкнутое пространство и излучающей указанные волны. Уже с первого взгляда это представляется абсурдным, поскольку согласно теории относительности не существует предельной длины волны, ибо достаточно сесть в скорый поезд – и волны станут короче. Следовательно, в любом ограниченном объеме пространства тепловое равновесие между материей и излучением может наступить только при бесконечно большом содержании энергии. Энергия попросту будет выкачиваться из материи, пока все не станет абсолютно холодным, поскольку вся энергия будет передана электромагнитному полю[4]. Как известно, это не соответствует истине.

В поисках объяснения Планк воспользовался следующими известными ему фактами. Он знал, что для электромагнитных волн чрезвычайно низких частот закономерность, согласно которой все электромагнитные волны в замкнутом пространстве обладают одинаковой энергией, соответствует истине. Он знал также, что, когда дело касается чрезвычайно высоких частот, имеет место совершенно иное явление; при этом энергия, которой обладает волна, равна энергии, которая была бы необходима для образования так называемого кванта энергии, характеризуемого величиной hv. Планк ввел постоянную h, чтобы связать оба изученных режима. С тех пор она известна под названием постоянной Планка. Как видите, эта постоянная такова, что, будучи умножена на частоту, она дает величину энергии. Называемая также квантом действия, она будет встречаться снова и снова, являясь как бы эмблемой атомной физики.

Планк получил формулу, которая примирила противоречия, возникавшие ранее при описании свойств равновесного излучения в замкнутом пространстве, а также довольно точно определил величину введенной им постоянной. Но при этом ему пришлось исходить из возможного, но формального предположения, что свет излучается не непрерывно, подобно волне, а в виде отдельных порций энергии, кратных частоте и равных hv. Он не верил в эту возможность и в течение многих лет пытался вывести свою формулу без такого сенсационного предположения, которое полностью противоречило представлению о свете как о волне. Ведь согласно его гипотезе свет не мог излучаться подобно радиоволнам, возбуждаемым, например, при движении зарядов; процесс испускания света должен был сопровождаться излучением порций энергии; а если отсутствует возможность излучения такого количества энергии, то ничего не происходит; если же излучение энергии возможно – происходит испускание кванта света, и если существуют условия для многократного повторения процесса, то это и происходит многократно. Естественно было думать, что Планк мог допустить ошибку в таком сложном, запутанном, имеющем статистический характер вопросе; и он сам долгие годы упорно надеялся, что так оно и есть.

Но в этом он был неправ. Его надежде был нанесен тяжкий удар, когда в год создания специальной теории относительности Эйнштейном была написана еще одна работа, которая оказалась даже более ошеломляющей. Эта работа очень тесно связана с открытием Планка.

Если направить на металлическую поверхность не слишком красный свет, то электроны, находящиеся в металле, будут вылетать из него. В лаборатории было открыто довольно странное явление: если, например, удвоить интенсивность света, то это повлияет не на скорость электронов, а на их число. Конечно, если мыслить свет как электромагнитную волну, интенсивность которой возрастает, то можно ожидать, что на электроны будет оказано более сильное воздействие. Однако ничего подобного не происходит. Энергия электронов не зависит от интенсивности света, а связана с его частотой и постоянной Планка весьма простым соотношением

E = hv − В.

Здесь световая энергия hv – та же энергия, которую Планк ввел пятью годами раньше; Е – кинетическая энергия вырванного из металла электрона; величина В не является фундаментальной и равна той работе, которую необходимо затратить, чтобы выбить электрон из металла. Эта формула получила очень точное и изящное подтверждение. И Эйнштейн сказал: «Это решает дело. Совершенно очевидно, что существуют кванты энергии света». Свет поглощается порциями, кратными hv, после чего энергия просто уносится электроном, – а это и есть объяснение формулы.

Но это открытие, разумеется, не упразднило опыт, накопленный за целое столетие изучения волновых явлений. С помощью интерферометров, призм, микроскопов и радиоволн ученые продолжали изучать свет как явление распространения волн. С другой стороны, возникло представление о прерывной структуре света, о световой частице (по крайней мере по отношению к явлениям поглощения и излучения света), и от этого нельзя было отмахнуться. Более того, оно даже подтвердилось экспериментами с чрезвычайно жестким излучением, а именно с рентгеновским. В самом деле, сталкиваясь с электронами, рентгеновское излучение ведет себя так, как если бы у него была энергия, определяемая соотношением E = hv, и импульс p = h/λ, равный той же самой постоянной h, деленной на длину волны. Таким образом, наблюдалось, что при столкновении с электроном свет ведет себя как частица, которая обладает импульсом и энергией, связанными этими простыми соотношениями с его частотой и длиной волны; эти соотношения, в свою очередь, согласуются с правилами взаимосвязи энергии и количества движения электромагнитной волны, но, включая постоянную h, подразумевают дискретную передачу энергии и импульса электрону при соударении с ним света. Указанный эксперимент, получивший название эффекта Комптона, привел в 1923 году к решающему заключению о двойственной природе света.

Вполне возможно, что во всем этом так и не удалось бы сразу разобраться, если бы не возник еще один столь же загадочный аспект; в данном случае речь пойдет не о непосредственном поведении света, а о поведении материи в масштабе атома. Позвольте напомнить вам, что в самом конце прошлого века Томсон открыл универсальную составляющую обычной материи – электрон, несущий отрицательный заряд. По сравнению с атомом он очень легок, его масса приблизительно в две тысячи раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Заряд его равен единице, которая присуща исключительно атомному миру. Томсон правильно предположил, что число электронов в атоме связано с его химическими свойствами и его местом в периодической системе. Таким образом, атом водорода обладает одним электроном, атом гелия – двумя, а атом урана – девяносто двумя. Томсон знал, что атомы нейтральны, но не знал, где находится нейтрализующий положительный заряд. Тогда он предположил, что заряд, вероятно, распределен по всему объему атома, т. е. по сфере диаметром в одну сотую часть миллионной доли сантиметра. Такова была томсоновская модель атома. Она не вызывала никаких вопросов, поскольку была довольно неопределенной, и особенно спорить о ней было бесполезно. Но Томсону удалось доказать, что некоторые закономерности (местоположение определенных чисел и наличие периодов), которые встречаются в периодической системе, вытекают из этой модели. Однако модель просуществовала недолго, так как работа Резерфорда, начатая в Макгилле и продолженная в Манчестере, была наконец успешно завершена. Резерфорд доказал, что положительный заряд не распределен по всему объему атома. И сделал он это блестяще. Изучая естественную радиоактивность урана, радия и других тяжелых элементов, он уточнил их родственные связи, определив, какие химические элементы получаются в результате естественного распада тех или других элементов, и установил последовательность процессов распада. Он выделил три типа радиоактивности: излучение тяжелых частиц с положительным зарядом, являющихся ядрами гелия, – он назвал их альфа-частицами; излучение легких отрицательно заряженных частиц, т. е. электронов; и, наконец, излучение нейтральных частиц, которые оказались световыми квантами очень высокой частоты. Вначале он только предполагал, что альфа-частицы – это ядра гелия, но его интересовал вопрос, как ведут себя эти частицы при прохождении через вещество. Оказалось, они вели себя не так, как если бы положительный заряд был равномерно размазан по всему объему атома, внутри которого распределены чрезвычайно легкие электроны, согласно томсоновской модели.

В таком случае не было бы столь большой силы, которая могла отклонить альфа-частицы, поскольку распределенный заряд не может иметь достаточное количество сконцентрированного электричества, а электроны обладают слишком малой массой для того, чтобы они могли «играть в мяч» альфа-частицей, которая в семь тысяч раз тяжелее их. Резерфорд установил, что альфа-частицы хотя и не часто, но регулярно отклонялись на большой угол, и отсюда сделал вывод, что положительный заряд сконцентрирован в некотором малом объеме; точнее, он сконцентрирован вместе с основной массой атома в области более чем в десять тысяч раз меньшей по размерам, чем сам атом. Так он открыл атомное ядро, которое несет положительный заряд, определяющий химические и основные физические свойства атома.

Это была захватывающая история, но она явилась только началом действительно очень больших загадок. Представьте себе самый простой по своей структуре атом – атом водорода. Он обладает протоном, единственной ядерной частицей в центре, несущей единичный положительный заряд, а также электроном, и вместе они образуют систему с четко определенными размерами. Этот размер является стандартным, радиус атома в обычных условиях остается неизменным. При бомбардировке атом водорода излучает совершенно определенный спектр. Ни одно из этих свойств нельзя было понять на основе ньютоновских представлений о движении и о взаимодействии заряженных частиц, так как Резерфорд доказал, что поле вблизи протона является электрическим. Это поле по форме является точным подобием гравитационного поля вокруг Солнца; силы уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. Все силы направлены к протону, поскольку в данном случае это силы притяжения, ибо электрон и протон несут противоположные заряды. Следовательно, это опять та же проблема планетарного движения. Однако нам известно, что планетарные движения бывают в той или иной степени различными: планеты описывают любые эллипсы в любой плоскости с любым эксцентриситетом и любых размеров. Поэтому весьма странно, что все атомы водорода имеют одинаковый размер и ведут себя одинаково. С точки зрения классической физики невозможно объяснить, почему один атом водорода не должен отличаться от любого другого по размеру, форме и поведению.

Более того, хотя я подробно не говорил об этом, известно, что заряженная частица, описывающая круговую или эллиптическую орбиту, испытывает ускорение, а ускоряемая заряженная частица излучает световые волны и поэтому теряет энергию. Однако атом водорода, если только он не подвергается бомбардировке, может годами и столетиями пребывать в неизменном состоянии. Он не теряет энергии, а электрон не приближается по спирали к ядру, чтобы окончательно в нем исчезнуть.

И наконец, законы, определяющие цвет света, излучаемого при движении по такой классической орбите, хотя и несколько сложнее законов, определяющих звуковые частоты скрипичной струны, но все же по форме напоминают их. Поэтому должна бы существовать основная частота, определяемая периодом вращения электрона по орбите, а также обертоны или гармоники, т. е. частоты, кратные основной; наблюдаемые же в атомном спектре (включая водород) частоты не являются ни гармониками, ни суммой целых кратных основной частоты, а скорее сложными сочетаниями разностей между числами, которые не соотносятся гармонично. Конкретно все наблюдаемые частоты можно представить соотношением

V = vi – vj ,

где Vi и Vj – два числа некоторой последовательности v_1, v_2, v_3… Для водорода эти числа были найдены Бальмером, а вообще каждый атом характеризуется своим набором подобных чисел. Другими словами, уникальность атомных систем (что труднее доказать для атома с 92 электронами, но тем не менее это остается верным), выраженная в законе испускания света при возбуждении, стабильность этих систем и единообразие их размера никак не вытекали из каких-либо данных, известных физике в то время.

Это чрезвычайно затруднительное положение побудило Бора сделать одно удивительное рискованное предположение, которое при всей осторожности Бора выглядело весьма революционным. Бор заявил: «По причинам, нам еще не понятным, атом характеризуется не классическими орбитами, а рядом состояний, которые, по существу, стационарны и которые со временем не меняются». Из них наиболее обычным и важным является состояние, характеризуемое наименьшей энергией, так называемое основное состояние. Оно длится вечно, если только атом не подвергается никакому возмущающему воздействию. Эти состояния характеризуются различными энергиями. Состояния с большей энергией, нежели основное состояние, могут быть неустойчивыми. Из такого состояния может произойти самопроизвольный переход в состояние с более низкой энергией. Следует помнить, что каждая частота, излучаемая данным атомом, может быть выражена как v = v_1 − v_2. Более наглядно это можно записать, умножив обе части равенства на постоянную Планка h:

hv = hv_1 − hv_2.

Тогда каждый член данного равенства представляет собой энергию; можно предположить, что величины hv_1 и hv_2 – это энергии двух состояний атома, а величина hv есть энергия кванта света, который излучается при переходе из одного состояния в другое. «Я не могу описать эти переходы, – заявил Бор. – Они не есть движения в классическом смысле. Это нечто новое, чего я не понимаю». Далее Бор сказал: «В некоторых случаях я могу привести правило, так как я произвел расчет энергий, характеризующих эти состояния, и это я могу выразить в терминах свойств соответствующих классических орбит». Но Бор не утверждал, что эти состояния имеют нечто общее с орбитами. Во-первых, орбита – движение, и поэтому должны иметь место какие-то изменения во времени. А стационарное состояние есть стационарное состояние, которое со временем совершенно не меняется.

Теперь мы подошли к вопросу о кризисе квантовой теории. Но прежде чем мы закончим наш рассказ, мы увидим, насколько расширилось представление о познании в науке; увидим, что мы достигли широкого обобщения понятия объективного познания; увидим, что мы имеем гораздо лучшую аналогию логических категорий, чем та, которую можно было бы построить на основе ньютоновской физики.

Рассматриваемый нами кризис возник в процессе двух исследований, которые оказались очень тесно связаны друг с другом. Во-первых, было установлено, что хотя все электромагнитные волны, включая и световые, будучи способными интерферировать и дифрагировать, носят волновой характер, тем не менее во взаимодействии с материей они проявляют также и дискретную природу – ведут себя как световые кванты с определенной энергией и определенным импульсом, – и в этом взаимодействии они либо отдают свою энергию, либо получают энергию от материи, либо испытывают упругие столкновения с атомами материи. Во-вторых, в результате открытия Резерфордом атомного ядра встал вопрос, как же все-таки ведут себя электроны вблизи ядра. Они не движутся по планетарным орбитам, ничего не излучают, и их поведение не похоже на поведение планеты в миниатюрной Солнечной системе; но они в большей части находятся в стационарных, по существу стабильных, состояниях, а по утверждению Бора, при самой низкой энергии – в полностью стабильном состоянии. Переход их из одного состояния в другое не есть движение в обычном понимании движения в пространстве и времени; различие между энергиями двух стационарных состояний проявляется в виде излучения соответствующего кванта света. Для определения энергии этих состояний Бор установил ряд правил, не совсем точных и не всегда применимых; я не буду их записывать.

Бор сознавал, что все это представляет радикально новый и трудный для понимания подход. Он немедленно выдвинул предположение (весьма похожее на то, которым руководствовался Эйнштейн), что новая схема, казавшаяся столь дикой и непривычной, должна при определенных ситуациях воспроизводить известный нам мир. Речь идет о чрезвычайно возбужденных состояниях атома, которым соответствует весьма много стационарных уровней, так что дискретность стационарного состояния и конечность постоянной Планка не имеют особого значения. Бор назвал это «принципом соответствия». Новая теория была призвана объяснить мир Ньютона и мир Максвелла, не прибегая к дискретным категориям, характерным для квантовой теории. Этот принцип оказался чрезвычайно эффективным средством. К 1925 году удалось вывести законы, не опирающиеся на какие-либо конкретные представления о движении, не связанные непосредственно ни с законами Ньютона, ни с орбитальной моделью атома. Но эти законы тем не менее являлись обобщениями ньютоновской механики и непосредственно объясняли связь между переходами из одного атомного состояния в другое, а также сами свойства атомных состояний.

Я рад, что дело на этом не остановилось, так как без математики было бы весьма трудно все объяснить. Насколько я помню, моя первая работа была посвящена простой проблеме двухатомной молекулы в свете нового подхода; в те дни было чрезвычайно трудно объяснить, о чем идет речь, и не менее трудно решить поставленные проблемы.

Решение, которое, по мнению большинства из нас, легче всего интерпретировать и к которому фактически приводил «принцип соответствия», было получено совершенно иным путем. Оно пришло вместе с дикой идеей, которая, однако, очень скоро была обобщена и получила подтверждение. Эта идея состояла в том, что существуют волны, присущие не только электромагнитному полю, но и любой частице, в частности электрону.

Эти волны – не просто электрические или магнитные возмущения; что они собой представляют, я сейчас объясню. Забегая вперед, отмечу, что соотношения, характеризующие связь между волновыми свойствами света и импульсом и энергией, сохраняются, а именно

Эта идея была выдвинута де Бройлем, который доказал, что можно получить правдоподобную картину стационарных состояний атома водорода, если предположить, что могут быть реализованы только те состояния, в которых образуются резонирующие стоячие волны, т. е. состояния, при которых в окружности соответствующей «орбиты» Бора укладывается целое число длин волн. Все это выглядело весьма шатко, и этому никто не верил. Если мне память не изменяет, статью отказались опубликовать. Тем не менее все оказалось правильным, и не прошло и года, как были получены данные о том, что электроны в некотором смысле «волноподобны», поскольку так же, как свет и рентгеновские лучи, они интерферируют и дифрагируют.

Примерно через год было найдено менее схематичное объяснение связи между распространением этих волн и наличием простых сил в такой системе, как атом водорода, где электрон просто притягивается электрическим зарядом протона. Эта универсальная двойственность волны-частицы сразу же привела к ряду результатов. Во-первых, она трактовала стационарные состояния не как орбиты, а как нечто новое, чему нет аналога в классической теории и что постоянно во времени, но не статично! Действительно, если измерить кинетическую энергию или средний квадрат импульса электрона в стационарном состоянии, то они не будут равны нулю, но будут одинаковыми в любой момент времени; с течением времени они не меняются. Очень быстро была установлена тесная связь между свойствами этих волн и «принципом соответствия» Бора. Но я не стану рассматривать эти вопросы, которые носят несколько математический характер. Я хочу рассмотреть вопрос о том, каким путем открытие универсального характера двойственности волны-частицы дало ключ к пониманию взаимосвязи между волновыми и корпускулярными свойствами света и всей материи вообще. Верно, например, что и обычный кирпич связан с волной. Но эта идея совершенно бесполезна, так как размеры кирпича намного больше длины его волны, и нам никогда не удастся наблюдать эффекты интерференции в отношении к макроскопическим объектам.

Двойственный характер волны-частицы проявляется в одном индивидуальном случае очень четко – и это весьма поразительное явление. Давайте вспомним наши две щели. Источником может служить либо источник света, либо источник электронов. Гребни волн интерферируют и тем самым создают яркие точки картины, в то время как интерференция между гребнем и впадиной соответствует более темным участкам на экране. Этот факт указывает на то, что связь между волновой природой частицы и ее местонахождением носит статистический характер: чем больше интенсивность волны в данном месте, тем больше вероятность обнаружения здесь частицы, и наоборот, там, где интенсивность волны мала вследствие ослабляющей интерференции, вероятность обнаружения частицы меньше.

Чтобы внести ясность в проблему волны-частицы, необходимо привести следующие соображения. Если предположить, что квант света проходит через одну из прорезей, подвергаясь при этом воздействию другой прорези, через которую он не проходит, то мы придем к невероятному объяснению природы: получается, что объекты, явления, не участвующие в эксперименте, могут повлиять на его результат. Например, наше присутствие здесь может оказать воздействие на исход эксперимента, проводимого в здании реактора на некотором расстоянии отсюда. Эта мысль ни к чему не ведет. Значит, главное в следующем: в эксперименте наблюдается интерференция световых или электронных волн, проходящих через две щели (в более общем случае будет наблюдаться однонаправленный характер пропускания света через длинную решетку из щелей). Но она будет наблюдаться до тех пор, пока вы не попытаетесь доискаться, через какое отверстие прошел свет или электрон. Стоит приделать пружинку к одной из щелей, с тем чтобы проследить за мерцанием света в данной щели, как интерференционная картина будет разрушена и вы получите ту картину, которая наблюдалась бы только при одной открытой щели. Как же это может быть?

Рис. 4

Дело в том, что не только свет и электрон, но и сами щели могут быть представлены волновым полем. Волновое же поле, сколь оно ни абстрактно, обладает следующим свойством: если требуется его сосредоточить в небольшой области пространства, необходимо иметь там волны различной длины, которые бы взаимно усиливались внутри этой зоны и взаимно уничтожали друг друга вне ее.

Если Δx – размер области пространства, то соответствующий разброс длин волн Δλ определяется неравенством

Таким образом, чем меньше зона, в которой сосредоточено возмущение, тем больше разброс длин волн. Если вспомнить, что p = h/ λ, то нетрудно, понять, что налицо разброс импульсов, что

ΔpΔx ≥ h,

т. е. разброс в значении импульса, умноженный на разброс в размерах области пространства, не может быть меньше кванта действия или постоянной Планка. Такой результат верен в отношении света, электрона, щели, а также всего остального, что вы захотите изучать. Это обеспечивает вполне логичное ограничение, показывающее, когда можно и когда нельзя использовать понятие волны и понятие частицы. Это ограничение носит универсальный характер в том смысле, что любой измерительный прибор ограничен в своей возможности одновременно определять и положение и импульс объекта вашего изучения.

В действительности волны де Бройля отображают не электрическое или магнитное поле, а состояние информации. Они отображают познанное через эксперимент. Допустим, вы хотите установить, что свет прошел через верхнюю щель или что источник излучал монохроматический свет. Эти два взаимно дополняющих измерения, по существу, исключают друг друга, так как к тому времени, когда будет установлен факт прохождения света через щель, уже произойдет эффективное столкновение света со щелью, и тем самым будет уничтожена уверенность в его цвете (выражающем длину волны света). В результате столкновения меняется цвет. Эти волны имеют четко выраженную связь со статистическим прогнозом, поскольку, как и для света, квадрат амплитуды этих волн определяет интенсивность, т. е. вероятность обнаружения частицы (кванта света или электрона). Вообще они представляют вид информации, которую можно получить об атомной системе, а именно данные о ее импульсе, положении, энергии или другие необходимые сведения.

Решая вопрос о возможности тех или иных измерений, необходимо учитывать тот факт, что не только система, но и все, что можно использовать для ее наблюдения, подчинено принципу дополнительности. Наиболее известным и фундаментальным примером этого является соотношение неопределенности между импульсом частицы и ее положением. Если взять атом, то каждое стационарное состояние не есть орбита. Чтобы получить орбиту, необходимо рассмотреть все множество стационарных состояний и определенным образом сложить волны, соответствующие стационарным состояниям. Тогда орбита будет дополнением стационарного состояния. Можно реализовать то или иное состояние, но любое другое состояние при этом исключено. То же относится и к кванту света. Можно определить волну вероятности для кванта света – вот об этом и шла здесь речь. Обычная же «старомодная» электромагнитная волна, которую можно послать и принять, представляет суперпозицию волн целого множества световых квантов.

И главное здесь не в том, что мы не всегда все знаем из того, что, по нашему мнению, могли бы знать согласно классической механике, например положение и импульс объекта. Если бы это было так, можно было бы сказать: «Пусть мне известен импульс. Предположим, что он как-то распределен по различным возможным положениям. Я произведу расчет того, что меня интересует, и выведу среднее». Но так делать нельзя. Если предположить, что объект, импульс которого определен экспериментально, имеет некоторое распределение в пространстве, можно с уверенностью сказать, что независимо от распределения ответ будет неправильным. Причина здесь не в том, что исследователь не знает ответа, а в том, что ответ не существует. Эксперимент, с помощью которого определяется импульс, исключает возможность определения положения. Если при этом попытаться увернуться и заявить: «Как бы то ни было, мне нужно определить положение прежде всего», – то это можно будет сделать, но ценой потери данных, полученных в результате предшествующего эксперимента.

Таким образом, приходишь к выводу о том, что хорошо продуманное наблюдение есть путь к получению данных. Вы можете определить поле волны, развитие которого во времени удовлетворяет принципу причинности. Это значит, что, если поле определено в данный момент, его будущее также известно. На основе параметров этого поля, возведя в квадрат амплитуду волны, можно определить вероятный исход другого эксперимента в будущем. Такие прогнозы проверялись и неоднократно перепроверялись, и в некоторых случаях расхождение не превышало одной десятимиллиардной доли предсказанного значения. Когда вы вновь проводите наблюдение с целью проверки прогноза, вы обычно, хотя и не всегда, не можете с помощью старой волновой функции воспроизвести достаточно точно описание всей системы. Но бывают такие из ряда вон выходящие случаи, когда одна частица используется для изучения другой и когда в зависимости от того, что делается с «подопытной» частицей, может быть реализовано одно состояние вместо другого, для которого можно точно определить импульс или положение. Сделать и то и другое одновременно невозможно, поэтому на ваш выбор больше влияет то, что вы делаете с «наблюдающей» частицей, нежели то, что вы делаете с «наблюдаемой» частицей. Это наглядно показывает, насколько ограничена объективная картина атомной системы, так как помимо описания всего того, что было сделано для изучения ее свойств, логически невозможно приписывать ей какие-то иные свойства. Нельзя, например, сказать: «Полагаю, что она находится в этой части пространства, и, возможно, у нее такая-то скорость. Дай-ка я это проверю». При определении каких-либо свойств атомной системы необходимо учитывать все проведенные наблюдения или всю ее предысторию.

Следовательно, эта теория навязала нам совершенно другое понятие объективности. Во всем мире – во Франции, в Японии, в Новой Зеландии, в коммунистических странах – ведутся дискуссии об атомной физике и идет проверка проведенных экспериментов. Эти сопоставления возможны, поскольку мы можем поделиться опытом проведения эксперимента, нашими наблюдениями и результатами. Если и совершаются ошибки, они быстро обнаруживаются. Объективность в данном случае не есть какое-то характерное свойство, которое можно найти в справочнике, не есть вообще какая-то онтологическая характеристика атома. Это характерная особенность дискуссии, и она дает нам способ устранения неясностей, возможность воспроизведения и проверки нашей взаимной информации.

Квантовая теория, конечно, акаузальная теория в том смысле, что происходят явления, точную причину которых нельзя ни определить, ни установить. Известно, что данное ядро распалось в 3:00 пополудни в такой-то день. Ни один человек на свете не мог бы выяснить время этого явления, пока это явление не произошло. Но он может вывести закон, гласящий, сколько из ста тысяч однотипных ядер распадутся за такой-то промежуток времени. Эта недетерминистическая теория. Совершенно невозможно знать все о мире на данный момент, как это представилось Лапласу в его ночном кошмаре, а следовательно, знать и все его будущее, что было бы не очень счастливым исходом. В каждом эксперименте в области атомной физики проводятся какие-то наблюдения или же имеются какие-то другие способы для познания тех или иных свойств системы, подчиняющихся законам распространения волн, законам, которые просты и общеизвестны. Наблюдения можно повторять и в результате получить какой-то ответ. Здесь есть свобода выбора объекта наблюдений. Здесь есть свобода выбора в постановке также и последующего вопроса, но само явление – единственное в своем роде. Можно сделать новую попытку, и эта попытка не обязательно даст тот же ответ, поскольку связь между обоими экспериментами статистическая, а не необходимая.

Война и нации

Мы вели здесь речь об идее дополнительности, т. е. о том, что невозможно точно измерить два взаимодополняемых аспекта физической системы. Когда идет речь об атомной системе, она может быть большой, может представлять собой кристалл или ядро, может состоять из многих миллиардов атомов, но тем не менее атомная система всегда остается конечной частью мира. Поэтому, для того чтобы изучать эту систему, необходимо использовать весь остальной мир как средство для достижения указанной цели. Нильс Бор, в частности, указывал на аналогии между принципом дополнительности и привычными сторонами жизни. По-моему, он при этом преследовал двоякую цель: во-первых, объяснить положение, создавшееся в физике, и, во-вторых, повысить наш интерес к взаимодополняемым сторонам человеческой жизни.

Вот один излюбленный пример. Когда я пишу мелом, то он составляет частицу меня самого, и я пользуюсь им, не отделяя его от моей руки. Когда же я разглядываю этот кусок мела, интересуюсь его структурой, рассматривая его под микроскопом, то этот мел становится объектом изучения. Я могу делать то или другое. Но если всерьез заняться одним, то второе исключается. Я, как и все вы, могу либо принять какое-то решение и действовать, либо я начинаю думать о побуждающих меня мотивах, о моих личных качествах, достоинствах и недостатках и пытаюсь решить, почему я поступаю так, а не иначе. Каждое из подобных действий имеет свое место в нашей жизни, но при этом совершенно ясно, что одно исключает другое.

Мы можем говорить (а мы это делаем в возрастающих масштабах) о физических свойствах и химических механизмах, присущих живым организмам, но нам приходится также говорить и о том назначении, для которого эти механизмы возникли и почему они выжили. Оба метода рассмотрения имеют свою ценность, и отказ от любого из них обеднит наше понимание жизни. Но эти вещи нельзя делать одновременно, не создавая при этом путаницы.

Можно привести множество других примеров. Пожалуй, наиболее содержательным будет такой известный пример. Все мы сталкиваемся в жизни со случаями, когда близкий нам человек – друг или сын – оказывается в затруднительном положении. При этом мы воспринимаем такое положение в свете его собственной пользы и нашей любви к нему. Нам известно, что посторонние посмотрят на это с точки зрения общественной справедливости и общественной пользы. Известно также, что хорошее общество (если таковое вообще существует) – это то, в котором данный конфликт, подобная дихотомия и этот элемент взаимодополняемости не являются слишком острыми. И тем не менее нам известно, что из-за трагизма, присущего жизни, этот конфликт будет существовать всегда. Те, кто был свидетелем открытия сущности атомного парадокса, имевшего место лет двадцать пять – тридцать назад, полагают, что человечество подошло к пониманию физического мира с гораздо большими возможностями для человеческого духа, нежели те, которые можно было обнаружить в великом механизме Ньютона.

Вскоре после этого физики, довольные своими открытиями и до зубов вооруженные новыми математическими и теоретическими методами, обратили свой взор на другие проблемы. Этим занялись не одни физики-атомщики, но и их коллеги, работающие в области химии, математики, а также и в других областях физики. Например, вскоре после появления квантовой теории всерьез началась разработка теории электрона – элементарной частицы, не являющейся световым квантом, – с целью подробного изучения его свойств. Был открыт и позитрон – антипод электрона, имеющий такую же массу, как и электрон, но противоположный заряд. Было проведено детальное исследование интереснейших процессов материализации и дематериализации, в которых исчезает пара заряженных частиц и образуются два γ-кванта или, наоборот, происходит столкновение двух γ-квантов, в результате чего образуется пара электрон – позитрон. Это самый замечательный пример эйнштейновского соотношения между массой и энергией.

Но мы вторглись также и в другую область исследования. И это вторжение в некотором смысле вовлекло ученых в политическую деятельность (я хочу сказать не о победе на выборах), а также в обсуждение важнейших вопросов, касающихся национальной и политической мощи государств. Это не является беспрецедентным, Архимеда в Сиракузах волновали те же проблемы, и Гоббс за десять лет до появления ньютоновских «Начал» писал об этом совершенно бесстрастно. Процесс развивался весьма медленно и подспудно до тех пор, пока физики, вооруженные квантовой теорией и обуреваемые жаждой познания, не переключили внимание с поведения электронов вблизи атомного ядра на само ядро.

В этой области исследований значительный прогресс был достигнут благодаря двум событиям. Одно из них, происшедшее в год открытия позитрона, было открытием нейтрона, нейтрального компонента атомного ядра. Вторым событием явилась разработка и создание ускорителей, т. е. машин, сообщающих заряженным частицам энергию, достаточную для преодоления силы электрического отталкивания атомного ядра, с тем чтобы добраться до него, расщепить и узнать, из чего оно состоит и как взаимодействует с налетающей частицей. К 1939 году уже многое стало известно о поведении ядер, об их стационарных состояниях, об их реакциях на бомбардировку, а также о продуктах взаимодействия. И хотя в те дни ускорители были маломощными – в миллион раз менее мощными, нежели те, с которыми работают сейчас, – они давали возможность составить довольно точное представление о поведении атомных ядер.

В 1939 году Резерфорда уже не было. Именно он еще в годы Первой мировой войны впервые осуществил искусственное превращение ядер, причем не с помощью ускоренных частиц, а с помощью своих любимых альфа-частиц. До конца своих дней он сильно сомневался в том, что на Земле вообще возможно произвести выделение энергии в больших масштабах, хотя был уверен в том, что превращение энергии будет иметь место. Мы об этом узнали больше, когда на основании изучения ядра и данных, полученных астрономами, удалось, исходя из характеристик ядерных реакций с превращением ядер и выделением энергии в горячих центральных областях звезд, составить убедительное и довольно подробное представление о некоторых основных источниках энергии на Солнце и многих других звездах.

Год тысяча девятьсот тридцать девятый был отмечен расщеплением атома урана, а также началом Второй мировой войны. Изменились судьбы всех людей, в том числе и физиков. С начала двадцатых годов и до начала тридцатых годов нынешнего столетия все с радостью принимали ученых из Советского Союза, и их часто встречали в крупных научных центрах Европы. В это время установились теплые отношения между коллегами – русскими, англичанами, немцами, скандинавами. Эти отношения в значительной степени сохранились и по сей день. Но в тридцатые годы произошли существенные изменения. Большое число ученых, наряду с представителями других профессий, покинуло Германию. Одни были вынуждены это сделать, другим так подсказала совесть. Многие уехали в Канаду, многие в Англию, но, пожалуй, больше всего уехали в США. Кое-кто покинул и Италию. В 1939 году Западное полушарие уже не было задворками мира науки, а стало полноправным научным центром. И когда было открыто деление ядра, первые анализы по определению перспектив практического использования процесса деления для получения энергии проводились в основном в США. Я помню, как Уленбек, находившийся в то время еще в Голландии, счел своим долгом доложить правительству об этом достижении и возможных перспективах. Министр финансов немедленно передал одной бельгийской горнорудной компании заказ на 50 тонн урановой руды. При этом он заметил: «До чего же умны эти физики».

И действительно, в Англии и США именно ученые-эмигранты первыми предприняли шаги к тому, чтобы заинтересовать свои правительства в изготовлении атомных взрывчатых веществ. Они же предприняли первые, хотя и довольно примитивные шаги в разработке методов их изготовления и общей организации дела. Известно, что этот вопрос впервые был доведен до сведения президента Рузвельта Эйнштейном, который написал ему письмо по предложению Сцилларда, Вигнера и Теллера. Насколько я помню, в Англии это было сделано Зимоном и Пайерлсом. Бор оставался в Дании до тех пор, пока это вообще было в человеческих силах. Правительства были заняты. Им приходилось вести войну, и, несомненно, любой здравый анализ подсказывал, что радар или, быть может, неконтактный взрыватель и, в принципе, если не в действительности, ракеты могут повлиять в гораздо большей мере на исход войны, чем вся затея с атомной энергией. Это дело медленно развертывалось под такими бессмысленными названиями, как «Тьюб эллойз» («Сплавы для труб») в Англии и «Департамент заменителей» в США. Когда я туда поступил, мой предшественник именовался «координатором быстрого разрушения».

В самом деле, возникло чрезвычайно много вопросов. Сработает ли такая бомба, что она собой будет представлять, сколько для нее понадобится сырья, какую энергию она сможет выделить, не возбудит ли она в атмосфере ядерные реакции и не уничтожит ли тем самым всех нас, можно ли будет ее использовать для осуществления реакции синтеза? Перед учеными также возникла проблема организации беспрецедентного в истории промышленного производства значительных количеств таких специальных материалов, как уран и плутоний, для изготовления первых бомб. К концу 1941 года было дано разрешение на производство указанных материалов. Было установлено не очень гладкое сотрудничество между Англией, Канадой и США, которое со временем улучшилось, но никогда, по-моему, до конца не было свободно от трений, в особенности по вине наших английских друзей, хотя мы извлекли большую пользу от их помощи. Кроме того, все было окутано величайшей тайной.

В конце 1942 года мы решили, что пора приступить к разработке методов изготовления самих бомб. Рано утром 16 июля 1945 года была взорвана первая бомба. Результаты превзошли наши ожидания. Один из охранников заявил: «Длинноволосые выпустили ее из-под контроля».

В тот же день президент США, премьер-министр Англии и Сталин заседали в Потсдаме. Я полагал, что президент воспользуется этой встречей, чтобы обсудить возникшее положение со Сталиным, не для того, чтобы рассказать ему о технологии изготовления бомбы, чего президент и не знал, а для того, чтобы предпринять важный, как тогда представлялось, шаг – отнестись к русским как к союзникам и обсудить с ними, как дальше жить в таком изменившемся мире. Получилось же все совершенно иначе. Президент что-то сказал, но понял ли его Сталин, осталось совершенно неясным. При этом никто не присутствовал, кроме переводчика, обслуживавшего Сталина в тот момент, и президента, не знавшего русского языка.

Бомбы были сброшены на Японию. Это было предусмотрено и в принципе одобрено Рузвельтом и Черчиллем еще во время их встречи в Канаде, а затем в Гайд-парке (загородном доме Рузвельта. – Прим. перев.). Во многом это считалось само собой разумеющимся. Возник ряд вопросов, но, по-моему, они мало обсуждались, а записей при этом почти не велось. И мне хотелось бы кратко, конспективно, на основе того, что я помню о том времени, и на основе бесед с историками, изучавшими этот вопрос, изложить некоторые свои мысли по этому поводу.

Во-первых, я полагаю, что мы не знаем и в настоящее время не можем знать, насколько были бы успешными политические усилия, направленные на окончание войны на Дальнем Востоке. В самом японском правительстве произошел глубокий раскол, но одолеть сторонников войны не удалось. Те члены правительства, которые были не согласны с основной группировкой, обратились к западным державам через Москву. Москва же не предприняла никаких шагов до встречи в Потсдаме. Сталин сообщил об этом Трумэну. Сталин, по-видимому, не проявил интереса, Трумэн – тоже, и ничего не последовало. Это происходило одновременно с успешным испытанием первой бомбы, недели за две до атомной бомбардировки Японии.

Тогдашние военные планы, имевшие целью сломить Японию и закончить войну, во всех отношениях были гораздо ужаснее, чем применение бомбы. Это бесспорно. И нас посвятили в эти планы. Предполагалось, что в результате осуществления их союзная сторона потеряла бы от полумиллиона до миллиона человек, а японская сторона – вдвое больше. Тем не менее лично я полагаю, что раз уж решено было бросить бомбы, то во избежание бессмысленных жертв следовало бы предупредить противника более эффективно. Оглядываясь назад, я хотел бы добавить: я очень рад, что тайна бомбы не осталась тайной. Все мы теперь поняли, а некоторые из нас поняли это и раньше, что произошло и каковы должны быть изменения в политических курсах и в жизни людей. То были дни, когда мы провозглашали один-единственный тост: «Не надо больше войн!»

Когда кончилась война, великие ученые-физики высказались просто и красноречиво. Эйнштейн ратовал за всемирное правительство, Бор сначала обратился к Рузвельту и Черчиллю, затем к генералу Маршаллу, а позднее, когда его никто не хотел слушать, кроме общественности, он во всеуслышание провозгласил необходимость работать для создания полностью открытого мира. Бор имел в виду, что у нас есть очень важные секреты, которыми мы должны добровольно поделиться – и тем самым ликвидировать их – в обмен на ликвидацию секретности во всех странах и в особенности в чрезвычайно засекреченных коммунистических обществах. Вышедший в отставку в сентябре 1945 года военный министр США Стимсон писал: «Человечество не сможет жить с расщепленным атомом, если не будет всемирного правительства».

Из всех многочисленных докладов, представленных нашими бесчисленными комиссиями, я помню лишь два. Один из них, который до сегодняшнего дня все еще находится под грифом «совершенно секретно», заканчивается примерно такими словами: «Если это оружие не убедит людей в необходимости международного сотрудничества и в необходимости покончить с войнами, то ничто другое, созданное в лаборатории, никогда не сможет этого сделать». В другом докладе говорилось: «Если будет предпринята международная акция для установления контроля над атомной энергией, то должно быть создано и международное сообщество людей, знающих и понимающих».

Все эти высказывания чрезвычайно глубокомысленные и искренние, и я думаю, что большая часть ученых, а также многие другие люди считали предложенные меры желательными. Это было не совсем то, чего хотел Сталин. Да и ни одно другое правительство не хотело безоговорочно и полностью присоединиться к предлагаемым мерам. Ввиду отсутствия практических путей к осуществлению данной цели самое большее, что можно было сделать, – внести некоторые предварительные и довольно здравые предложения об установлении такого контроля над атомной энергией, который в случае его принятия повел бы стороны по пути международного сотрудничества. Но получилось не так, и я напомню вам только о двух очевидных вещах. Мы участвуем в гонке вооружений, которая представляет собой беспрецедентную опасность для человечества. И, по-моему, здесь не надо говорить ни о количестве дьявольщины, накопленной обеими сторонами, ни о мерах предосторожности, которые необходимо принять, чтобы она не взорвалась, ни о связанных с этим трудностях. С другой стороны, необходимо отметить и то, что мы уже прожили шестнадцать с половиной лет без ядерной войны. В результате, учитывая всю серьезность нависшей над нами опасности и очевидные сдерживающие факторы, которые действовали в этот период, я могу лишь посоветовать придерживаться трезвого курса и надеяться на лучшее.

Может показаться, что было бы неправильно говорить об этом как об эпопее физиков. Это, конечно, не интеллектуальная проблема, подобная той, из которой родилась теория относительности или появилось решение таких парадоксов, как двойственный характер волны-частицы и квантовая теория. Я сомневаюсь в том, что имеется некая конкретная, правильная идея относительно преобразования мира, в котором можно было бы жить вместе с таким оружием, жить, выполняя прочие наши обязательства и не теряя надежды. Но правда и то, что мы, как физики, внесли большой вклад в это дело.

Кроме того, на многих физиках лежит огромная ответственность за те советы, которые они давали своему правительству, за те выступления, которые они делали перед общественностью, а самое главное – за попытки на начальной стадии найти верное направление. Я не думаю, что даже наши более молодые коллеги, которые бьются над решением новых фундаментальных проблем физики, были бы столь же свободны от тяготения к хорошей жизни и к хорошему обществу, как мы в их возрасте.

Как вам известно, между представителями технической интеллигенции происходили глубокие и тяжелые конфликты. Мне кажется, что почти в любой день можно взять газету и прочитать, как одни ученые обвиняют других во лжи. Нас раздирают конфликты, но это не было столь очевидно и ясно в 1945 и 1946 годах. Гонка вооружений, «холодная война», упорный характер политического конфликта, а также огромные, сложные и ужасающие масштабы технического развития не создают благоприятных условий для простого обсуждения проблем физики. К тому же это, конечно, не проблемы физики, и их научным путем не решить Вопрос о нашем назначении на Земле, вопрос о создании правительства, которое осуществляло бы наши цели, вопрос об ответственности ученых не решается в лаборатории и не может быть урегулирован с помощью какого-либо уравнения или математических вычислений. Частично конфликт между специалистами подобен конфликту между всеми людьми: он проистекает из противоположных оценок всего курса и линии поведения противника, что является весьма таинственным предметом даже для экспертов. Частично же это происходит потому, что речь идет о мире, который не имеет аналогичных примеров в прошлом. Мир никогда еще не стоял перед возможностью самоуничтожения – в известном смысле, аннигиляции, – которую можно было бы сравнить с нынешней возможностью. Он также не стоял перед необходимостью принять решение, подобное хоть в какой-то степени тому, которое связано с этой проблемой.

Те из вас, кто участвовал в боях, знают, насколько ход боя отличается от первоначального плана, насколько он бывает запутанным, как трудно предвидеть его исход, даже если он хорошо спланирован. Никто еще не имеет опыта ведения боевых действий в ядерный век. Поэтому есть все основания для ожесточенных споров относительно того, какая доля населения данной страны останется в живых после тех или иных действий, а также относительно того, что, несомненно, сделают наши противники, и относительно их возможных действий. Кроме того, следует заметить, что физики, как и все люди, безусловно, не безгрешны и не свободны от тщеславия. Можно ожидать довольно гнусных дел, и они действительно наблюдаются.

Но я полагаю, что по нескольким важнейшим пунктам, не содержащим ответы на все вопросы, к которым мы питаем законный интерес, мы, физики, довольно точно представляем себе, в чем состоит наш долг. Во-первых, честно сообщить то, что мы знаем все вместе, знаем в той мере, в какой я знаю о преобразовании Лоренца и двойственном характере волны-частицы, знаю на основании глубокой научной убежденности и опыта. Мы считаем, что должны делиться этими сведениями открыто, когда это возможно, должны сообщать их секретно нашим правительствам по их требованию или даже если наши правительства того не требуют, осведомлять их по тем или иным вопросам, как это сделал Эйнштейн в 1939 году.

Все мы считаем своим долгом делать различие между осведомлением в этом чрезвычайно специфическом и гордом, а потому часто абстрактном смысле, и между самыми лучшими нашими предположениями и компетентными оценками предложений, мотивы которых не могут быть нам известны. Еще важнее делать различие между наукой вообще, наукой, где многое уже известно и с каждым днем узнается все больше, и между нашими мечтами и надеждами, которыми мы дорожим, о которых любим говорить и должны говорить, но в иной обстановке и по-иному. Наконец, наш долг при любой возможности вместе с нашими коллегами в соревнующихся, антагонистических и, возможно, враждебных странах, вместе со всеми, с кем у нас есть общие профессиональные, политические и просто человеческие интересы, содействовать росту знаний и международному взаимопониманию.

Мы рассматриваем эту нашу деятельность как вклад в общее дело, вклад, не слишком отличающийся от вклада других людей. Но наш вклад в гораздо большей степени обусловлен растущим пониманием физического мира во все более запутанной, все более замечательной и неожиданной ситуации. Мы рассматриваем эту нашу деятельность как свой вклад в дальнейшее развитие мира, который отличается разнообразием и любит разнообразие, который свободен и дорожит свободой, который свободно изменяется, чтобы приспособиться к неизбежным потребностям перемен как в двадцатом столетии, так и в будущих столетиях, но при этом имеем в виду мир, который, несмотря на все свое разнообразие, свободу и перемены, не должен состоять из национальных государств, вооруженных для войны, а быть миром, который был бы прежде всего миром без войны.

Нильс Бор

Атомная физика и человеческое познание

Предисловие автора к русскому изданию

Мне доставляет большое удовольствие, что это собрание моих работ стало доступно русскому читателю. Я особенно признателен моему старому другу академику Фоку, всегда проявлявшему такой активный интерес к обсуждаемым здесь проблемам, за его инициативу в организации русского издания моих работ и за взятый им на себя тяжелый труд по их переводу.

Копенгаген, март 1961 г.

Введение

Важное значение физической науки для развития общего философского мышления основано не только на ее вкладе в наше непрерывно возрастающее познание той природы, частью которой мы являемся сами; физическая наука важна и тем, что время от времени она давала случай пересматривать и улучшать нашу систему понятий как орудие познания. В нашем столетии изучение атомного строения материи обнаружило неожиданное ограничение области применимости классических физических идей и пролило новый свет на содержащиеся в традиционной философии требования к научному объяснению. Необходимый для понимания атомных явлений пересмотр основ и предпосылок однозначного применения наших элементарных понятий имеет поэтому значение, выходящее далеко за пределы одной только физической науки.

Главное содержание урока, преподанного нам развитием атомной физики, состоит, как известно, в признании свойства цельности и неделимости атомных процессов, обнаруженного благодаря открытию кванта действия. Предлагаемые статьи освещают наиболее существенные стороны ситуации в квантовой физике; в то же время они указывают на черты сходства между этой ситуацией и положением и других областях знаний, выходящих за пределы механистического представления о природе. Мы не рассматриваем здесь какие-либо туманные аналогии, а исследуем условия для надлежащего применения слов и понятий, выражающих наши опытные знания. Такие рассуждения имеют целью не только ознакомление с новой ситуацией в физической науке; ввиду сравнительно простого характера атомных проблем они могут оказаться полезными и для разъяснения предпосылок объективного описания в более широких областях знания.

Хотя собранные здесь статьи, таким образом, тесно связаны между собой, они распадаются на три отдельные группы, относящиеся к 1932–1939, 1949 и 1955–1957 гг. Первые три статьи прямо связаны со статьями прежнего сборника; в них обсуждаются биологические и антропологические проблемы, относящиеся к свойствам целостности, характерным для живых организмов и человеческих культур. Конечно, в этих статьях я ни в какой мере не пытаюсь дать исчерпывающее обсуждение этих тем, но лишь указываю, какими представляются эти проблемы на фоне общего урока атомной физики.

Четвертая статья касается дискуссии между физиками о проблемах теории познания, поставленных квантовой физикой. По характеру самой темы нельзя было избежать некоторых ссылок на математический аппарат, но для понимания аргументации не требуется специальных знаний. Споры привели к разъяснению новых сторон проблемы наблюдения, обусловленных тем обстоятельством, что взаимодействие между атомными объектами и измерительными приборами составляет неотъемлемую часть квантового явления. Поэтому данные, полученные в различных экспериментальных установках, не могут быть объединены в том смысле, как обычно; необходимость принимать во внимание условия, при которых получены те или иные опытные данные, прямо требует дополнительного способа описания.

Последняя группа статей тесно связана с первой, но я надеюсь, что уточненная терминология, которой я в них пользуюсь, чтобы изобразить ситуацию в квантовой физике, сделала общую идею и общий ход рассуждения доступнее. Прилагая эти идеи к более широкой области, я делаю особый упор на предпосылки для однозначного применения понятий, используемых при описании опытных фактов. Самая суть аргументации состоит в том, что для объективного описания и гармоничного охвата опытных фактов необходимо почти во всех областях знания обращать внимание на обстоятельства, при которых эти данные получены.

Свет и жизнь

Как физик, чьи исследования ограничиваются свойствами неодушевленных тел, я не без колебаний принял любезное приглашение выступить с речью перед этим собранием ученых, которые встретились для того, чтобы способствовать нашему познанию благотворного действия света при лечении болезней. Будучи не в состоянии внести новое в эту прекрасную отрасль науки, столь важную для благосостояния человечества, я мог бы, самое большее, поговорить о чисто неорганических световых явлениях, которые во все времена особенно привлекали к себе физиков хотя бы потому, что свет является нашим главным орудием наблюдения. Однако я подумал, что в данном случае, может быть, будет интереснее рассмотреть в таком обсуждении вопрос о том, насколько результаты, достигнутые в более ограниченной области, а именно в физике, могут повлиять на наши взгляды на положение, занимаемое живыми организмами внутри общего здания естественных наук. Несмотря на утонченный и неуловимый характер загадок жизни, эта проблема возникала на каждой стадии развития науки, поскольку самое существо научного объяснения состоит в разложении более сложных явлений на более простые. В данный момент этой старой проблеме придает новый интерес то обстоятельство, что недавнее развитие атомной теории выявило существенную ограниченность механистического описания явлений природы. Это развитие как раз и началось с более пристального изучения взаимодействия между светом и материальными телами; оказалось, что некоторые особенности этого взаимодействия несовместимы с известными требованиями, выполнение которых всегда считалось обязательным для всякого физического объяснения. Как я попытаюсь показать, усилия физиков овладеть положением в какой-то мере похожи на позицию биологов, которую те всегда занимали более или менее интуитивно перед проявлениями жизни. Тем не менее я хочу сразу же подчеркнуть, что аналогия между светом и жизнью существует только в этом чисто формальном отношении, поскольку свет является, пожалуй, наименее сложным из всех физических явлений, а жизнь представляет такое необозримое разнообразие, что едва поддается научному анализу.

С физической точки зрения свет можно определить как передачу энергии на расстояние между материальными телами. Такие эффекты находят себе, как известно, простое объяснение в рамках электромагнитной теории, которую можно считать рациональным расширением классической механики, пригодным для того, чтобы смягчить контраст между действием на расстоянии и действием при соприкосновении. По этой теории свет представляет электрические и магнитные колебания, связанные между собой и отличающиеся от обычных радиоволн только большей частотой колебаний и меньшей длиной волны. В самом деле, практически прямолинейное распространение света, на котором основана локализация тел прямым видением или с помощью оптических приборов, всецело зависит от малости длины волны по сравнению с размерами рассматриваемых тел, а также приборов. В то же время волновой характер распространения света важен в двух отношениях. Он не только дает основу для объяснения цветовых явлений, которые благодаря спектроскопии дали столь важную информацию о строении материальных тел; волновой характер света существенно важен также и для всякого утонченного анализа оптических явлений. В качестве типичного примера я упомяну лишь об интерференционных полосах, которые возникают, если свет от одного источника может идти к экрану двумя различными путями. Здесь мы видим, что эффекты, которые были бы вызваны каждым из двух лучей света в отдельности, усиливаются в тех точках экрана, где фазы обоих цугов волн совпадают, т. е. там, где электрические и магнитные колебания обоих лучей имеют одинаковое направление, тогда как эффекты ослабляются и могут даже совсем исчезнуть в тех точках, где направления этих колебаний противоположны, т. е. там, где оба цуга волн находятся, как говорят, в противофазе. Эти интерференционные полосы представляют такую убедительную проверку волновой картины распространения света, что ее уже нельзя рассматривать как гипотезу в обычном смысле этого слова; эту картину надлежит считать адекватным отчетом о наблюдаемых явлениях.

Несмотря на это, в недавние годы проблема природы света подверглась, как вы все знаете, новому обсуждению в связи с обнаружением в механизме передачи энергии важного свойства атомистичности, совершенно непонятного с точки зрения электромагнитной теории. Действительно, всякая передача энергии светом может быть прослежена вплоть до индивидуальных актов, в каждом из которых передается так называемый световой квант; энергия его равна произведению частоты электромагнитных колебаний на квант действия (постоянную Планка). Очевидная противоположность между такого рода атомистичностью светового эффекта и вытекающей из электромагнитной теории непрерывностью распространения энергии ставит перед нами дилемму такого характера, какой до сих пор не был известен в физике. Так, несмотря на явную недостаточность волновой картины распространения света, не может быть и речи о замене ее какой-нибудь другой картиной, которая опиралась бы на обычные механистические понятия. Следует особо подчеркнуть, что световые кванты не могут рассматриваться как частицы, которым можно было бы приписать точно определенный путь в смысле обычной механики. Если бы мы, желая убедиться в том, что световая энергия идет только по одному из двух путей между источником и экраном, задержали один из лучей непрозрачным телом, то интерференционные полосы исчезли бы начисто; совершенно так же и в любом явлении, для которого существенна волновая природа света, невозможно проследить путь индивидуального светового кванта, не нарушая существенно само исследуемое явление. Действительно, пространственная непрерывность распространения света в нашей картине и атомистичность световых эффектов являются дополнительными аспектами одного и того же явления. Дополнительность мы понимаем в том смысле, что оба аспекта отображают одинаково важные свойства световых явлений, причем эти свойства не могут вступать в явное противоречие друг с другом, поскольку более подробный анализ их на основе понятий механики потребовал бы взаимно исключающих экспериментальных установок. В то же время самая эта ситуация заставляет нас отказаться от полного причинного описания световых явлений и удовольствоваться вероятностными законами, основанными на том факте, что электромагнитное описание передачи энергии остается справедливым в статистическом смысле. Последнее заключение представляет типичное приложение так называемого принципа соответствия, выражающего стремление до предела использовать понятия классических теорий – механики и электродинамики, – несмотря на противоположность между этими теориями и квантом действия.

На первый взгляд такая ситуация может показаться крайне неприятной. Но в науке и раньше случалось, что новые открытия приводили к установлению существенных ограничений для понятий, которые до тех пор считались не допускающими исключений. В таких случаях нас вознаграждает приобретение более широкого кругозора и более широких возможностей устанавливать связь между явлениями, которые прежде могли казаться даже противоречащими друг другу. И в самом деле, ограничение классической механики, символизируемое квантом действия, дало нам ключ к пониманию свойственной атомам устойчивости, на которой существенно основано механистическое описание природы. Конечно, фундаментальной чертой атомной теории всегда была невозможность понять неделимость атомов, оставаясь в рамках механических понятий; это положение практически не изменилось и после того, как неделимость атомов была заменена неделимостью электронов и протонов, из которых построены атомы и молекулы. Но я говорил выше не об устойчивости, свойственной этим элементарным частицам, а об устойчивости состоящих из них атомных структур. Если мы подойдем к этой проблеме с точки зрения механики или электромагнитной теории, то мы не найдем достаточной основы для объяснения не только характерных свойств элементов, но даже и самого существования твердых тел (а на них в конечном счете опираются все измерения, служащие для локализации явлений природы в пространстве и времени). Эти затруднения теперь преодолены благодаря признанию того факта, что всякое поддающееся определению изменение атома есть индивидуальный акт, состоящий в полном переходе атома из одного его так называемого стационарного состояния в другое. Кроме того, раз в процессе перехода, в котором атом поглощает или испускает свет, происходит обмен только одним световым квантом, мы можем при помощи спектроскопических наблюдений непосредственно измерить энергию каждого из этих стационарных состояний. Полученные таким образом сведения были весьма убедительно подтверждены изучением того обмена энергией, который происходит при атомных столкновениях и при химических реакциях.

За последние годы произошло поразительное развитие атомной механики в направлении, указанном принципом соответствия. Благодаря этому наше теоретическое отображение (account) свойств атомов стало столь же полным, как отображение астрономических данных ньютоновой механикой. Несмотря на всю сложность общих проблем атомной механики, для ее развития оказался чрезвычайно важным урок, преподанный нам анализом более простых световых эффектов. Так, между однозначным применением понятия стационарных состояний и механическим анализом внутриатомных движений существует то же соотношение дополнительности, какое существует между световым квантом и электромагнитной теорией излучения. Действительно, всякая попытка подробно проследить, как протекает процесс перехода, повлекла бы за собой неконтролируемый обмен энергией между атомом и измерительным прибором, что совершенно нарушило бы тот самый баланс энергии, который мы собирались исследовать. Причинное согласование опытных данных по законам механики выполнимо только в тех случаях, где действие велико по сравнению с квантом и где поэтому возможно подразделение явления. Если это условие не выполнено, то нельзя пренебрегать действием измерительного прибора на исследуемый объект; действие же это влечет за собой несовместимость различных типов информации, которые все необходимы для полного механистического описания в обычном смысле. Эта кажущаяся неполнота механического анализа атомных явлений в конечном счете происходит от присущей всякому измерению неопределенности в реакции объекта на измерительные приборы. Напомним, что общее понятие относительности выражает существенную зависимость всякого явления от системы отсчета, которой пользуются для его локализации в пространстве и времени. Подобно этому, понятие дополнительности служит для того, чтобы символизировать имеющееся в атомной физике существенное ограничение понятия объективно существующего явления в смысле явления, не зависимого от способов его наблюдения.

Этот пересмотр основ механики, затрагивающий самое понятие физического объяснения, не только важен для полного понимания положения в атомной физике, но и создает новый фон для дискуссии о проблемах жизни в их связи с физикой. Это никоим образом не значит, что в атомных явлениях мы встречаем черты более близкого сходства со свойствами живых организмов, чем это наблюдается в обычных физических явлениях. На первый взгляд может показаться, что существенно статистический характер атомной механики противоречит поразительно утонченной организации живых существ. Однако мы должны помнить, что как раз этот дополнительный способ описания и оставляет место для тех закономерностей атомных процессов, которые чужды механике; он столь же важен для нашего отчета о поведении живых организмов, как и для объяснения специфических свойств неорганической материи. Так, в ассимиляции растениями углерода, от которой так сильно зависит также и питание животных, мы имеем дело с явлением, для понимания которого, несомненно, существенна индивидуальность фотохимических процессов. Точно так же немеханическая устойчивость атомных структур явно проявляется в характерных свойствах таких очень сложных химических соединений, как хлорофилл или гемоглобин, играющих фундаментальную роль в механизме растительной ассимиляции и в дыхании животных. Однако аналогии из области обычных химических фактов, вроде старого сравнения жизни с огнем, дадут, конечно, не более удовлетворительное объяснение живых организмов, чем дает их сопоставление с таким чисто механическим устройством, как часовой механизм. В самом деле, важные характерные особенности живых существ надо искать в их своеобразной организации, в которой свойства, поддающиеся анализу на основе обычной механики, так переплетаются с типично атомными чертами, как никогда не бывает в неорганической материи.

Поучительный пример того, до какой степени развита эта организация, представляет устройство и работа глаза; при его исследовании тоже была крайне полезна простота световых явлений. Мне незачем входить здесь в подробности, и я лишь напомню вам, что офтальмология раскрыла нам идеальные свойства человеческого глаза как оптического прибора. Действительно, предел, налагаемый на образование изображения неизбежными эффектами интерференции, практически совпадает с размерами тех частиц сетчатой оболочки, которые имеют самостоятельные нервные связи с мозгом. Для получения зрительного впечатления достаточно поглощения единичного светового кванта каждой такой частицей; поэтому можно сказать, что чувствительность глаза достигает предела, поставленного атомным характером световых процессов. Эффективность глаза в обоих этих отношениях фактически такая же, какую мы получаем в хорошем телескопе или микроскопе, соединенном с усилительным устройством, позволяющим наблюдать индивидуальные процессы. Правда, такими приборами можно сильно увеличить нашу наблюдательную способность, но благодаря пределам, поставленным фундаментальными свойствами световых явлений, невозможно придумать прибор, который был бы эффективнее глаза для той цели, для которой он предназначен. Это идеальное совершенство глаза, открытое благодаря недавнему развитию физики, наводит на мысль, что и другие органы, служат ли они для восприятия информации от окружающей среды или же для реакции на ощущения, тоже обнаружат такую же приспособленность к своему назначению и что также и здесь свойство индивидуальности, символизируемое квантом действия, имеет решающее значение для работы соответствующего усилительного механизма. Тот факт, что этот предел можно было проследить в глазу, но что его до сих пор не удалось заметить ни в одном из других органов, связан исключительно с простотой световых явлений, о которой мы говорили выше.

Признание важного значения черт атомистичности в механизме живых организмов само по себе не является, однако, достаточным для всестороннего объяснения биологических явлений. Исходный вопрос состоит, таким образом, в том, не следует ли добавить к нашему анализу явлений природы еще какие-то недостающие пока фундаментальные идеи, прежде чем мы сможем достигнуть понимания жизни на основе физического опыта. Несмотря на тот факт, что многообразие биологических явлений практически неисчерпаемо, едва ли можно дать ответ на этот вопрос, не обсудив, какой смысл следует придавать понятию «физическое объяснение» – смысл еще более глубокий, чем тот, к которому нас уже принудило открытие кванта действия. С одной стороны, поразительные свойства, которые постоянно обнаруживаются при физиологических исследованиях и которые столь заметно отличаются от всего, что известно для неорганической материи, привели биологов к убеждению, что надлежащее понимание существенных сторон жизни в рамках чистой физики невозможно. С другой стороны, точка зрения, известная как витализм, едва ли может быть однозначно выражена в форме предположения, что существует какая-то особая, не известная физике жизненная сила, которая и управляет органической жизнью. Действительно, я думаю, мы все согласны с Ньютоном: самый глубокий фундамент науки – это уверенность в том, что в природе одинаковые явления наступают при одинаковых условиях. Поэтому если бы мы могли продвинуть анализ механизма живых организмов столь же далеко, как это сделано для атомных явлений, то мы едва ли бы нашли тогда какие-то свойства, чуждые неорганической материи. Рассматривая эту дилемму, мы должны, однако, помнить, что нельзя непосредственно сравнивать условия при биологических и при физических исследованиях, так как необходимость сохранить объект исследования живым налагает на первые ограничение, не имеющее себе подобного в последних. Так, мы, без сомнения, убили бы животное, если бы попытались довести исследование его органов до того, чтобы можно было сказать, какую роль играют в его жизненных отправлениях отдельные атомы. В каждом опыте над живыми организмами должна оставаться некоторая неопределенность в физических условиях, в которые они поставлены; возникает мысль, что минимальная свобода, которую мы вынуждены предоставлять организму, как раз достаточна, чтобы позволить ему, так сказать, скрыть от нас свои последние тайны. С этой точки зрения самое существование жизни должно в биологии рассматриваться как элементарный факт, подобно тому как в атомной физике существование кванта действия следует принимать за основной факт, который нельзя вывести из обычной механической физики. Действительно, существенная несводимость факта устойчивости атомов к понятиям механики представляет собой близкую аналогию с невозможностью физического или химического объяснения своеобразных отправлений, характеризующих жизнь.

Проводя эту аналогию, мы должны, однако, помнить, что в атомной физике и в биологии мы имеем дело с существенно различными проблемами. Если в первой области мы интересуемся прежде всего поведением материи в ее самых простых формах, то в биологии мы занимаемся материальными системами, сложность которых имеет фундаментальный характер, ибо даже самые примитивные организмы содержат большое число атомов. Правда, то обстоятельство, что обычная механика применима в обширной области, включая описание действия измерительных приборов, используемых в атомной физике, как раз и основано на возможности в широкой мере пренебрегать порождаемой квантом действия дополнительностью описания в тех случаях, когда мы имеем дело с телами, содержащими большое число атомов. Однако, несмотря на важное значение атомистичности, для биологических исследований типично, что мы никогда не можем контролировать внешние условия, в которые поставлен каждый отдельный атом, в той же мере, в какой это возможно при фундаментальных опытах атомной физики. Фактически мы даже не можем сказать, которые именно из атомов действительно принадлежат живому организму, так как всякое жизненное отправление сопровождается обменом веществ, благодаря которому атомы постоянно захватываются организацией, составляющей живое существо, и из нее выбрасываются. Действительно, этот обмен материей распространяется на все части живого организма до такой степени, что это препятствует резкому разграничению в атомном масштабе между теми его свойствами, которые можно однозначно учесть обычной механикой, и теми, для которых решающим является учет кванта действия. Это фундаментальное различие между физическими и биологическими исследованиями означает, что нельзя поставить четко определенный предел применимости физических идей к проблемам жизни – предел, которому соответствовала бы в атомной механике разница между областью причинного механистического описания и собственно квантовыми явлениями. Эта очевидная неполнота рассматриваемой аналогии коренится в самих определениях слов «жизнь» и «механика», которые в конце концов являются вопросом удобства. С одной стороны, вопрос об ограниченной применимости физики в биологии потерял бы всякий смысл, если бы мы распространили понятие жизни на все явления природы вместо того, чтобы устанавливать различия между живыми организмами и неодушевленными телами. С другой стороны, если бы в согласии с обычным языком мы сохранили слово «механика» для однозначного причинного описания явлений природы, то такой термин, как «атомная механика», стал бы бессмысленным. Я не буду углубляться дальше в такие чисто терминологические вопросы и только добавлю, что сущность рассматриваемой аналогии – это очевидное антагонистическое отношение между такими типичными сторонами жизни, как самосохранение и размножение индивидуумов, с одной стороны, и необходимое для всякого физического анализа подразделение объекта – с другой. Благодаря этой важной черте дополнительности понятие цели, чуждое механистическому анализу, находит некоторую область приложения в биологии. В самом деле, в этом смысле телеологическую аргументацию можно рассматривать как законную черту физиологического описания, должным образом учитывающую характерные свойства жизни, подобно тому как в атомной физике признание кванта действия учитывается принципом соответствия.

Обсуждая применимость чисто физических идей к живым организмам, мы, конечно, подходим к жизни совершенно так же, как и к любому другому явлению материального мира. Мне, однако, едва ли нужно подчеркивать, что эта позиция, характерная для биологических исследований, отнюдь не предполагает игнорирования психологической стороны жизни. Наоборот, признание ограниченности механистических понятий в атомной физике скорее может быть полезным для примирения как бы противоречащих друг другу точек зрения физиологии и психологии. В самом деле, необходимость вводить в рассмотрение взаимодействие между измерительными приборами и объектом исследования в атомной механике представляет близкую аналогию со своеобразными трудностями психологического анализа, проистекающими от того факта, что духовное содержание неизбежно меняется, если внимание сосредоточивается на какой-нибудь его определенной стороне. Мы бы ушли слишком далеко от нашего предмета, если бы стали распространяться об этой аналогии, дающей существенное разъяснение психофизическому параллелизму. Однако я бы хотел подчеркнуть, что рассуждения такого рода, как я здесь приводил, совершенно противоположны всяким попыткам искать в статистическом описании атомных явлений новые возможности для духовного влияния на поведение материи. Например, с нашей точки зрения, невозможно придать однозначный смысл высказываемому иногда взгляду, согласно которому вероятность того, что в теле произойдут некоторые атомные процессы, может находиться под непосредственным влиянием воли. В самом деле, согласно обобщенному толкованию психофизического параллелизма, свободу воли следует считать признаком сознательной жизни; свобода воли соответствует отправлениям организма, не только ускользающим от причинно-механистического описания, но не поддающимся даже и физическому анализу в той доведенной до предела форме, какая требуется для однозначного применения статистических законов атомной механики. Не пускаясь в метафизические спекуляции, я, пожалуй, мог бы добавить об анализе самого понятия объяснения следующее: альфой и омегой такого анализа должен быть отказ от объяснения нашей собственной сознательной деятельности.

В заключение мне едва ли нужно особо подчеркивать, что ни в одном из своих замечаний я не имел в виду выразить какой-либо скептицизм по отношению к будущему развитию физической и биологической наук. Такой скептицизм и в самом деле был бы далек от мыслей физиков в настоящее время, когда именно признание ограниченного характера наших самых основных понятий привело нас к такому замечательному развитию нашей науки. Точно так же и отказ от объяснения жизни не помешал удивительному прогрессу во всех отраслях биологии, включая те, которые оказались столь полезными в искусстве врачевания. Даже если мы не можем провести резкой грани между здоровьем и болезнью, для скептицизма, конечно, нет места и в той специальной области, которая является предметом этого конгресса. Не следует только сворачивать с большой дороги прогресса, по которой с таким успехом шли ученые, начиная с основополагающих работ Финзена[5], и которая характеризуется самым тесным сочетанием между изучением лечебных эффектов светотерапии и изучением физических ее сторон.

1932

Биология и атомная физика

Бессмертные труды Гальвани, открывшие новую эпоху во всех областях науки, представляют блестящую иллюстрацию чрезвычайной плодотворности тесного сочетания исследований законов неживой природы с изучением свойств живых организмов. В настоящем докладе было бы поэтому уместно сделать обзор того, как на протяжении столетий ученые смотрели на вопрос о связи между физикой и биологией, и в особенности обсудить перспективы, созданные в этом отношении необычайным развитием атомной теории за последние годы.

Уже на заре науки атомная теория была в центре внимания в связи со стремлением достигнуть всеобъемлющего представления о великом разнообразии явлений природы. Так, уже Демокрит, с такой глубокой интуицией настаивавший на необходимости атомизма для всякого рационального объяснения обыкновенных свойств материи, как известно, пытался использовать атомистические идеи также и для объяснения своеобразия органической жизни и даже человеческой психологии. Фантастический характер таких крайних материалистических представлений вызвал естественную реакцию у Аристотеля, в совершенстве владевшего всеми современными ему познаниями в физике и биологии; эта реакция привела его к полному отрицанию атомистической теории и к попытке создать на основе идей, которые по существу являются телеологическими, систему достаточно широкую, чтобы учитывать все богатство явлений природы. Преувеличения в учении Аристотеля были в свою очередь ясно выявлены в результате постепенного ознакомления с элементарными законами природы, справедливыми как для неодушевленных тел, так и для живых организмов.

Если думать о том, как были установлены принципы механики, которые в дальнейшем должны были стать фундаментом физической науки, то в этой связи интересно уяснить себе, что открытие Архимедом принципа равновесия плавающих тел, согласно хорошо знакомой легенде, подсказанное ему ощущением легкости его тела, погруженного в ванну, могло точно так же возникнуть и на основании обыденного опыта, относящегося к потере в весе камня, опущенного в воду. Точно так же следует считать совершенно случайным, что Галилей пришел к открытию фундаментальных законов динамики, наблюдая, как качается люстра в прекрасном Пизанском соборе, а не глядя на ребенка на качелях. Однако для растущего понимания существенного единства принципов, управляющих явлениями природы, такие чисто внешние аналогии имели лишь малое значение по сравнению с глубоко коренящимся сходством между живыми организмами и техническими механизмами; это сходство было вскрыто при изучении анатомии и физиологии, которое так интенсивно велось в эпоху Возрождения, особенно здесь, в Италии.

Перспективы, открывшиеся благодаря успеху нового экспериментального подхода к философии естествознания, были встречены с энтузиазмом; этот энтузиазм в одинаковой мере поддерживался как расширением картины вселенной, которым мы обязаны проницательности Коперника, так и разъяснением механизма кровообращения в телах животных, начало которому положило великое достижение Гарвея. Пожалуй, ярче всего этот энтузиазм выразился в трудах Борелли, которому удалось разъяснить с такими тонкими подробностями функции скелета и мышц при движениях животных. Классический характер этих трудов нисколько не умаляется попытками самого Борелли и его последователей объяснить также и нервную деятельность и секрецию желез при помощи примитивных механических моделей; их очевидная произвольность и грубость вскоре вызвали общую критику, о которой до сих пор напоминает полуироническое прозвище «ятрофизиков»[6], присвоенное школе Борелли. Здоровое в корне стремление приложить к физиологическим процессам все увеличивающиеся познания в области типично химических превращений, нашедшее такого восторженного представителя в лице Сильвиуса, вскоре привело к оппозиции, вызванной преувеличением поверхностного сходства между перевариванием и ферментацией, с одной стороны, и простейшими неорганическими реакциями – с другой, а также неосмотрительным приложением их к лечебным целям. Эта оппозиция выразилась в прозвании «ятрохимия», присвоенном таким преждевременным попыткам.

Для нас причины неудач этих первых исследователей, старавшихся использовать физику и химию для исчерпывающего объяснения свойств живых организмов, вполне очевидны. Тогда еще не наступило время Лавуазье, раскрывшее элементарные принципы химии, которые должны были дать ключ для понимания процесса дыхания, а позднее составить основу для развития так называемой органической химии. Но, кроме того, до открытий Гальвани оставалась скрытой еще одна фундаментальная сторона законов физики. Очень поучительно думать, что зерно, которому в руках Вольты, Эрстеда, Фарадея и Максвелла суждено было развиться в стройную систему, соперничающую по значению с механикой Ньютона, зародилось из исследований, имевших биологическую цель. Действительно, трудно себе представить, чтобы процесс, который привел от опытов с наэлектризованными телами, какими плодотворными бы они ни были в руках Франклина, к изучению гальванических токов, мог бы осуществиться, если бы чувствительные приборы, необходимые для обнаружения таких токов (которые теперь так легко создаются), не были бы предоставлены самой природой в виде нервных тканей высших животных.

Здесь невозможно набросать даже в общих чертах потрясающее развитие физики и химии со времени Гальвани или перечислить открытия во всех отраслях биологии за последнее столетие. Нам достаточно напомнить о научных направлениях, идущих от трудов первых исследователей, Мальпиги и Спалланцани[7], работавших в этом почтенном университете, к современной эмбриологии и, соответственно, бактериологии; или же от самого Гальвани до недавних захватывающих исследований нервных импульсов. Несмотря на достигнутое таким образом глубокое понимание физической и химической стороны многих типичных биологических реакций, изумительная тонкость строения организмов и их богатство связанными между собой регулирующими механизмами все еще заходят так далеко за пределы всякого опыта, относящегося к неживой природе, что мы чувствуем себя столь же отдаленными, как и раньше, от объяснения самой жизни на физико-химической основе. Действительно, когда мы присутствуем при жарких спорах о значении для этой проблемы недавних открытий отравляющих эффектов и генеративных свойств так называемых вирусов, перед нами встает столь же острая дилемма, как та, с которой столкнулись Демокрит и Аристотель.

При такой ситуации интерес снова сосредоточивается на атомной теории, хотя и на совершенно другом фоне. С тех пор как Дальтон с таким решительным успехом использовал атомистические представления для разъяснения количественных законов, управляющих составом химических соединений, атомная теория становится в химии надежным руководящим принципом и необходимой основой во всех рассуждениях; а замечательное совершенство техники эксперимента в физике дало нам даже средство для изучения явлений, прямо зависящих от действия индивидуальных атомов. Таким образом, это развитие устранило последние следы традиционного предрассудка, утверждавшего, будто бы из-за грубости наших органов чувств всякое доказательство действительного существования атомов навеки останется за пределами досягаемости человеческого опыта. Но, кроме того, оно обнаружило в законах природы еще более глубокие черты атомистичности, чем те, которые выражены в старом учении об ограниченной делимости материи. Действительно, мы узнали, что для того, чтобы охватить собственно атомные явления, должна быть существенно расширена самая система понятий, которая была пригодна как для описания нашего опыта повседневной жизни, так и для формулировки всей системы законов, которым подчиняется поведение материи в ее массе; на этих законах и построено то внушительное здание, которое именуется классической физикой. Для того чтобы оценить те возможности, которые эта новая точка зрения философии естествознания дает для рационального подхода к фундаментальным проблемам биологии, нам придется кратко напомнить главные направления развития, приведшего к разъяснению положения в атомной теории.

Отправным пунктом современной атомной физики было, как известно, признание атомной природы самого электричества. На нее впервые указали знаменитые исследования Фарадея о гальваническом электролизе, и затем она была окончательно подтверждена фактом изолирования электрона в прекрасных явлениях электрического разряда в разреженных газах, явлениях, привлекших к себе такое внимание в конце прошлого столетия. Блестящие исследования Томсона вскоре выяснили существенную роль электронов в самых разнообразных физических и химических явлениях. Наше знакомство со структурными единицами материи было, однако, еще неполным вплоть до открытия Резерфордом атомного ядра – открытия, увенчавшего его новаторские труды о спонтанных радиоактивных превращениях некоторых тяжелых элементов. Действительно, это открытие впервые дало бесспорное объяснение неизменямости элементов в обыкновенных химических реакциях, в которых крошечное тяжелое ядро остается без изменений, а затрагивается только распределение легких электронов вокруг него. Сверх того, это открытие дает объяснение происхождению естественной радиоактивности, в которой мы наблюдаем взрыв самого ядра; оно разъяснило также и обнаруженную Резерфордом позднее возможность вызвать превращения элементов бомбардировкой тяжелыми частицами с большой скоростью, которые, сталкиваясь с ядрами, могут вызвать их распад.

Мы отошли бы слишком далеко от предмета нашего доклада, если бы стали углубляться дальше в чудесную новую область исследований, открывшуюся благодаря изучению ядерных превращений; эта область будет одним из главных предметов дискуссии среди физиков настоящего съезда. Для наших рассуждений наиболее существенным являются, однако, не эти новые открытия, а очевидная невозможность истолковать обычные физические и химические опытные факты на основании одних только свойств атомной модели Резерфорда (которые сами по себе прочно установлены), если при этом не отступить самым радикальным образом от классических идей механики и электромагнетизма. В самом деле, хотя механика Ньютона и позволила проникнуть в гармонию движения планет, выраженную законами Кеплера, механические модели, подобные Солнечной системе, не вполне устойчивы в том смысле, что они не имеют тенденции возвращаться в первоначальное состояние, будучи выведены из него каким-либо возмущением. Свойства стабильности таких моделей явно не обладают достаточным сходством с абсолютной внутренней стабильностью электронных конфигураций атомов, благодаря которой каждый элемент обладает своими характерными свойствами. Ярче всего эта стабильность проявляется в спектральном анализе, обнаружившем, как известно, что у каждого элемента имеется свой характерный спектр, состоящий из резких линий и настолько не зависящий от внешних условий, что характер спектра дает способ определения, из наблюдений, материального состава даже самых удаленных звезд.

Но ключ к разрешению этой дилеммы уже был найден Планком, открывшим элементарный квант действия. Открытие это было результатом физических исследований совершенно иного направления. Как известно, Планк пришел к своему фундаментальному открытию путем остроумного анализа таких свойств теплового равновесия между материей и излучением, которые в силу общих принципов термодинамики должны быть совершенно не зависимыми от тех или иных свойств материи, а значит, и от тех или иных идей об атомной структуре. Существование элементарного кванта действия выражает новое свойство индивидуальности физических процессов, совершенно чуждое классическим законам механики и электромагнетизма; оно ограничивает их справедливость теми явлениями, в которых величины размерности действий велики по сравнению со значением единичного кванта, даваемым новой атомистической постоянной Планка. Это условие ни в какой мере не выполняется для электронов в атомах, хотя ему с избытком удовлетворяют явления в обычных физических опытах. И действительно, только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу практически бесконечно малого размера.

Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобожденной энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения. Эта идея внутренне сродни эйнштейновскому успешному толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтвержденному прекрасными работами Франка и Герца над возбуждением спектральных линий ударами электронов об атомы. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных Бальмером, Ридбергом и Ритцем, но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме; это дало полное объяснение замечательным зависимостям между физическими и химическими свойствами элементов – зависимостям, выраженным в знаменитой таблице Менделеева. Такое толкование свойств материи казалось осуществлением древнего идеала – свести формулирование законов природы к рассмотрению только чисел, – превосходящим даже мечты пифагорейцев. Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время неизбежный отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания.

О возвращении к способу описания, совместному с принципом причинности, не могло быть и речи; это однозначно исключалось разнообразными опытными фактами. С другой стороны, вскоре удалось расширить первоначальные примитивные попытки учесть в атомной теории существование кванта действия и развить их настоящую, существенно статистическую атомную механику. Атомная механика вполне сравнима по своей последовательности и полноте со структурой классической механики, рациональным обобщением которой она и является. Установлением этой новой так называемой квантовой механики мы, как известно, обязаны прежде всего изобретательности и остроумию младшего поколения физиков. Независимо от поразительной плодотворности квантовой механики во всех областях физики и химии, она существенно разъяснила и философскую основу анализа и синтеза атомных явлений. В самом деле, начатый одним из главных основателей квантовой механики, Гейзенбергом, пересмотр для этой области самой проблемы наблюдения привел к раскрытию ранее игнорируемых предпосылок для однозначного применения даже самых элементарных понятий, на которых основано описание явлений природы. Здесь решающим является признание того, что всякая попытка анализировать обычным, принятым в классической физике порядком «индивидуальность» атомных процессов, обусловленную квантом действия, непременно срывается из-за неизбежного взаимодействия между исследуемыми объектами и измерительными приборами, необходимыми для этого исследования.

Прямым следствием этой ситуации является то, что наблюдения над поведением атомных объектов в разных экспериментальных установках не могут быть, вообще говоря, скомбинированы обычным в классической физике способом. В частности, любая мыслимая процедура, целью которой была бы локализация в пространстве и времени электронов в атоме, неизбежно вызовет принципиально неконтролируемый обмен количеством движения и энергией между атомами и измерительными средствами, а этот обмен полностью разрушит те замечательные закономерности, которые связаны с устойчивыми состояниями атома и обусловлены квантом действия. И обратно, поскольку самая формулировка этих закономерностей требует применения законов сохранения энергии и количества движения, исследование их связано с принципиальным отказом от локализации отдельных электронов атома в пространстве и времени. Те стороны квантовых явлений, которые обнаруживаются при такого рода взаимно исключающих условиях, отнюдь не противоречат друг другу; их следует, таким образом, рассматривать как дополнительные в совсем новом смысле. В самом деле, точка зрения «дополнительности» ни в коем случае не означает произвольного отказа от анализа атомных явлений, а, наоборот, является выражением рационального синтеза такого богатства опытных фактов в этой области, какое не вмещается в естественных пределах применимости понятия причинности.

Исследование этих глубоких вопросов поощряется великим примером теории относительности, которая обнаружила не замеченные ранее предпосылки для однозначного применения физических понятий и тем самым открыла новые возможности для понимания и охвата явлений, кажущихся непримиримыми. Несмотря на урок, преподанный теорией относительности, мы должны осознать, что ситуация, с которой мы встречаемся в современной атомной теории, совершенно беспрецедентна в истории физической науки. Действительно, вся система понятий классической физики, доведенная до такого изумительного единства и законченности трудами Эйнштейна, основана на некоторой предпосылке, прекрасно соответствующей нашему повседневному физическому опыту и состоящей в том, что можно отделить поведение материальных объектов от вопроса о их наблюдении. В поисках параллели к вытекающему из атомной теории уроку об ограниченной применимости обычных идеализаций мы должны обратиться к совсем другим областям науки, например к психологии, или даже к особого рода философским проблемам; это те проблемы, с которыми уже столкнулись такие мыслители, как Будда и Лао Цзы, когда пытались согласовать наше положение как зрителей и как действующих лиц в великой драме существования. Признание аналогии чисто логического характера в тех проблемах, которые возникают в столь далеких друг от друга областях человеческих интересов, ни в коем случае не означает, однако, что в атомной физике допускается какой-то мистицизм, чуждый истинному духу науки; наоборот, это признание побуждает нас подумать, не может ли прямое решение тех парадоксов, которые неожиданно встретились в атомной области при применении наших простейших понятий, помочь нам разъяснить аналогичные затруднения в других областях знания.

Не было также недостатка в советах искать прямую связь между жизнью или свободной волей и теми чертами атомных явлений, для охвата которых рамки классической физики, очевидно, слишком узки. Действительно, в реакциях живых организмов можно указать много характерных черт (например, чувствительность зрительных восприятий или индуцирование мутаций генов при помощи проникающей радиации), которые, несомненно, связаны с усилением эффектов индивидуальных атомных процессов, подобным тому усилению, на котором, по существу, основана техника эксперимента в атомной физике. Признание того, что тонкость организации и регулирующих механизмов живых существ выходит так далеко за пределы всех прежних ожиданий, само по себе отнюдь не дает нам, однако, возможности объяснить своеобразные особенности жизни. Правда, целостность и целеустремленность биологических явлений и их так называемые телеологические аспекты, конечно, нельзя объяснить свойством индивидуальности атомных процессов, обнаруженных благодаря открытию кванта действия; скорее, наоборот, статистический характер квантовой механики, казалось бы, даже увеличивает трудности понимания собственно биологических закономерностей. Однако в этой дилемме общий урок атомной теории подсказывает нам, что единственный способ примирить законы физики с понятиями, пригодными для описания явлений жизни, – это разобраться в существенных различиях между условиями наблюдения явлений, изучаемых в физике и в биологии.

Прежде всего мы должны ясно себе представить, что всякая постановка опыта, которая позволила бы нам изучать поведение атомов, составляющих живой организм, столь же подробно, как мы это можем сделать для единичных атомов в фундаментальных опытах атомной физики, исключает возможность сохранить организм живым. Неотделимый от жизни непрерывный обмен материей делает даже невозможным подход к организму как к точно определенной системе материальных частиц, подобной тем системам, которые рассматриваются во всяком описании обыкновенных физических или химических свойств материи. Действительно, мы вынуждены принять, что собственно биологические закономерности представляют законы природы, дополнительные к тем, которые пригодны для объяснения свойств неодушевленных тел. Здесь имеется аналогия с соотношением дополнительности между свойствами стабильности самих атомов и таким поведением составляющих их частиц, которое допускает описание на основе понятия локализации в пространстве и времени. В этом смысле существование самой жизни следует рассматривать как в отношении ее определения, так и наблюдения как основной постулат биологии, не поддающийся дальнейшему анализу, подобно тому как существование кванта действия вместе с конечной делимостью материи образует элементарную основу атомной физики.

Отсюда видно, что такая точка зрения одинаково далека от крайних учений механицизма и витализма. С одной стороны, она осуждает как не относящиеся к делу всякие сравнения живых организмов с машинами, будь то сравнительно простые конструкции, которые рассматривались старыми ятрофизиками, или тончайшие современные усилительные приспособления, некритическое выдвижение которых подвергло бы нас опасности заслужить кличку «ятроквантистов». С другой стороны, она отбрасывает как неразумные все попытки ввести какие-то специально биологические законы, несовместные с твердо установленными физическими и химическими закономерностями; такие попытки возобновились в наши дни под впечатлением чудесных откровений эмбриологии о росте и делении клеток. В этой связи особенно следует помнить, что возможность избегнуть в рамках дополнительности подобных противоречий дается самим тем фактом, что ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе, как на основе понятий физики и химии, совершенно так же, как всякое описание опыта даже в атомной физике должно в конечном счете опираться на понятия, необходимые для сознательной регистрации чувственных восприятий.

Последнее замечание приводит нас обратно в царство психологии, где трудности, связанные с проблемами определения и наблюдения в научных исследованиях, были ясно осознаны задолго до того, как эти проблемы стали злободневными в других естественных науках. Действительно, невозможность в психическом опыте различить между самыми явлениями и их сознательным восприятием очевидно требует отказа от простого причинного описания по образцу классической физики; и то, как употребляются в психическом анализе слова «мысли» и «ощущения», настоятельно напоминает о дополнительности, встречающейся в атомной физике. Я не буду здесь входить в дальнейшие подробности, но лишь подчеркну, что невозможность при самонаблюдении резко отличить субъект от объекта как раз и дает необходимую свободу для проявления решимости (volition). Связывать же свободу воли непосредственно с ограничением причинности в атомной физике, как это часто предлагают, совершенно чуждо нашим взглядам, лежащим в основе сделанных здесь замечаний о биологических проблемах.

Заключая этот доклад, я надеюсь, что безрассудство физика, отважившегося выйти так далеко за пределы своей ограниченной области науки, ему простится ввиду такого приятного и удобного случая для полезных дискуссий, какой был предоставлен физикам и биологам настоящим собранием, посвященным памяти великого основоположника, чьи фундаментальные открытия так много внесли в обе эти отрасли науки.

1937

Философия естествознания и культуры народов

Только с большими колебаниями я принял любезное приглашение обратиться с речью к этому собранию[8] выдающихся представителей антропологической и этнографической наук, ибо с этими науками я, как физик, конечно, не имею близкого знакомства. Однако при этом особом случае, когда само историческое окружение говорит каждому из нас об аспектах жизни, не похожих на те, которые обсуждаются на обычных заседаниях конгрессов, может быть, было бы интересно попробовать несколькими словами привлечь ваше внимание к гносеологической стороне новейшего развития философии естествознания и его отношению к общим проблемам человечества. Правда, наши разделы науки далеки друг от друга. Но физикам был преподан урок, указывающий на ту осторожность, с какой надо применять все обычные условия представления всякий раз, как мы имеем дело не с повседневным опытом, и этот урок, мне кажется, подходит для того, чтобы по-новому напомнить нам о хорошо известных гуманитарам опасностях судить с собственной точки зрения о культурах, развившихся в других обществах.

Установить резкое различие между философией естествознания и человеческой культурой, конечно, невозможно. В самом деле, физические науки являются неотъемлемой частью нашей цивилизации; это происходит не только потому, что наше все увеличивающееся овладение силами природы совершенно изменило материальные условия жизни, но также и потому, что изучение этих наук дало так много для выяснения того окружения, на фоне которого существуем мы сами. Как много значило в этом отношении то, что мы больше не считаем себя привилегированными существами, живущими в центре вселенной и окруженными менее удачливыми обществами, обитающими по краям пропасти; благодаря развитию астрономии и географии мы осознали, что все мы живем на небольшой шарообразной планете Солнечной системы, которая в свою очередь является малой частью еще более грандиозных систем. В наши дни мы получили убедительное указание на относительность всех человеческих суждений; это произошло благодаря возобновленному пересмотру предпосылок, лежащих в основе однозначного применения наших даже самых элементарных понятий, вроде понятия о пространстве и времени; раскрыв существенную зависимость всякого физического явления от точки зрения наблюдателя, этот пересмотр много дал для единства и красоты всей нашей картины вселенной.

Важное значение этих крупных достижений для нашего общего кругозора общепризнанно. Что касается того неожиданного гносеологического урока, который был преподан нам за последние годы открытием совершенно новых областей физических исследований, то было бы преждевременно утверждать, что и он получил всеобщее признание. Наше проникновение в мир атомов, до сих пор бывший скрытым от глаз человека, несомненно, является смелым предприятием, которое можно сравнить с великими, полными открытий кругосветными путешествиями и дерзкими исследованиями астрономов, проникших в глубины мирового пространства. Как известно, поразительное развитие искусства физического экспериментирования не только устранило последние следы старого представления о том, что грубость наших чувств будто бы навсегда лишает нас возможности получить непосредственную информацию об индивидуальных атомах, но и достигло большего. Эти опыты показали, что сами атомы состоят из еще более мелких частиц, которые можно изолировать и чьи свойства можно исследовать в отдельности. В этом захватывающем поле исследований мы в то же время научились, однако, и тому, что известные до сих пор законы природы, составляющие великое здание классической физики, годятся, только если мы имеем дело с телами, состоящими из практически бесконечного числа атомов. В самом деле, новые знания о поведении отдельных атомов и атомных частиц выявили неожиданный предел для подразделения всякого физического действия – предел, простирающийся далеко за границы старой доктрины об ограниченной делимости материи и придающий каждому атомному процессу своеобразный индивидуальный характер. Это открытие дало совершенно новое основание для понимания той внутренней стабильности атомных структур, которая в конечном счете обусловливает закономерности во всех обычных опытах.

Насколько радикальна вызванная этим развитием физики перемена в наших взглядах на описание природы, видно яснее всего из того факта, что даже принцип причинности, до сих пор считавшийся непременной основой для всех толкований явлений природы, оказался слишком узким для того, чтобы охватить своеобразные закономерности, управляющие индивидуальными атомными процессами. Конечно, всякий поймет, что понадобились крайне убедительные доводы, чтобы заставить физиков отказаться от самого идеала причинности, но при изучении атомных явлений мы неоднократно научались тому, что вопросы, на которые, как считалось, давно получены окончательные ответы, таят в себе неожиданные для нас сюрпризы. Вы, наверно, все слышали о загадках, касающихся самых элементарных свойств света и материи, – загадках, которые за последние годы ставили в тупик физиков. В самом деле, кажущиеся противоречия, которые мы встречаем в этой области, так же остры, как те, из коих началось развитие теории относительности в начале этого столетия; те и другие противоречия нашли свое объяснение только благодаря более тщательному рассмотрению ограничений, налагаемых самими вновь открытыми опытными фактами на однозначное применение понятий, входящих в описание явлений. В теории относительности решающим было признание того факта, что наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, будут описывать поведение данных объектов существенно различным образом; при выяснении же парадоксов атомной физики обнаружился тот факт, что неизбежное взаимодействие между объектами и измерительными приборами ставит абсолютный предел для возможности говорить о поведении атомных объектов как о чем-то не зависящем от средств наблюдения.

Перед нами стоит здесь гносеологическая проблема, совершенно новая для философии естествознания, где до сих пор всякое описание опытных фактов основывалось на предположении, что можно четко разграничить поведение объектов от средств наблюдения; это предположение уже входит в обычные способы выражения нашего языка. Оно не только вполне оправдывается повседневным опытом, но и составляет даже главное основание классической физики, получившей такое замечательное завершение именно благодаря теории относительности. Однако дело меняется, как только мы переходим к явлениям, подобным индивидуальным атомным процессам, которые по самой своей природе существенно определяются взаимодействием исследуемых объектов с измерительными приборами, характеризующими экспериментальную установку; в этом случае мы вынуждены пристальнее рассмотреть вопрос, какого же рода информацию о таких объектах мы можем получить. В этом отношении мы должны прежде всего отдать себе отчет в том, что цель всякого физического опыта есть получение данных при воспроизводимых и поддающихся словесной передаче условиях. Эта цель не оставляет нам никакого другого выбора, как пользоваться повседневными понятиями, может быть, улучшенными терминологией классической физики, не только при описании устройства и работы измерительных приборов, но также и при описании получаемых экспериментальных результатов. С другой стороны, столь же важно понять, что именно это обстоятельство и указывает нам, что ни один результат опыта, касающегося явления, в принципе лежащего вне области классической физики, не может быть истолкован как дающий информацию о независимых свойствах объектов (свойствах объектов самих по себе). Более того, эти результаты внутренне связаны с определенной ситуацией, в описание которой столь же существенно, как и объект, входят и измерительные приборы, взаимодействующие с объектом. Этот последний факт дает прямое объяснение кажущихся противоречий, которые появляются, если данные об атомных объектах, полученные в разных экспериментальных установках, пытаться комбинировать в связную картину объекта.

Информацию о поведении атомных объектов, полученную при определенных условиях опыта, можно, однако, адекватно характеризовать (согласно терминологии, часто употребляемой в атомной физике) как дополнительную к любой информации о том же объекте, полученной в какой-то другой экспериментальной установке, исключающей выполнение первых условий. Хотя такого рода информации не могут быть скомбинированы при помощи обычных понятий в единую картину объекта, они, несомненно, представляют одинаково важные стороны всякого знания исследуемого объекта, какое может быть получено в этой области. Действительно, признание такого дополнительного характера механических аналогий, при помощи которых пытались представить себе индивидуальные акты излучения, привело к вполне удовлетворительному разрешению упомянутых выше загадок о свойствах света. И точно так же, лишь принимая во внимание соотношение дополнительности между различными опытами над поведением атомных частиц, удалось найти ключ для понимания поразительного контраста между свойствами обыкновенных механических моделей и своеобразными законами устойчивости, управляющими атомными структурами и образующими основу для всякого обстоятельного объяснения характерных физических и химических свойств материи.

Конечно, в настоящем докладе я не намерен входить более подробно в такие детали. Но я надеюсь, что мне все же удалось дать вам достаточно ясное представление о том факте, что мы здесь имеем дело не с произвольным отказом от подробного анализа прямо-таки ошеломляющего богатства нашего быстро растущего опыта в царстве атомов. Наоборот, в понятии дополнительности мы имеем дело с рациональным развитием наших способов классифицировать и понимать новые опытные факты, которые по своему характеру не находят себе места в рамках причинного описания; последнее годится для объяснения поведения объектов, только пока это поведение не зависит от способов наблюдения. Точка зрения дополнительности далека от какого-либо мистицизма, противоречащего духу науки; в действительности она представляет собой последовательное обобщение идеала причинности.

Каким бы неожиданным ни показалось это развитие в области физики, я уверен, что многие из вас заметили близкую аналогию между описанным мною положением с анализом атомных явлений и характерными чертами проблемы наблюдения в психологии человека. Действительно, мы можем характеризовать общее направление современной психологии как реакцию против попытки разложить психический опыт на элементы, которые можно было бы объединить таким же образом, как это делается с результатами измерений в классической физике. При самонаблюдении, очевидно, невозможно четко отличить сами явления от их сознательного восприятия, и, хотя мы часто говорим о том, что мы обратили свое внимание именно на ту или иную сторону психического опыта, при более тщательном рассмотрении оказывается, что на самом деле мы встречаемся во всех подобных случаях со взаимно исключающими друг друга положениями. Мы все знаем старое высказывание, гласящее, что если мы пробуем анализировать наши переживания, то мы перестаем их испытывать. В этом смысле мы обнаруживаем, что между психическими опытами, для описания которых адекватно употребляют такие слова, как «мысли» и «чувства», существует дополнительное соотношение, подобное тому, какое существует между данными о поведении атомов, полученными при разных условиях опыта; такие опытные данные описываются при помощи разных аналогий, взятых из наших обычных представлений. Проводя такое сравнение, я, конечно, не хочу навести на мысль, что есть какая-то более тесная связь между атомной физикой и психологией; я только хотел обратить ваше внимание на гносеологический аргумент, общий обеим областям знания, и таким образом побудить к более пристальному рассмотрению того, насколько решение сравнительно простых физических проблем может помочь разъяснить более запутанные психологические вопросы, с которыми сталкивается жизнь человека и с которыми так часто встречаются в своих исследованиях антропологи и этнологи.

Подходя теперь ближе к нашему предмету – значению подобных точек зрения для сравнения человеческих культур, – мы прежде всего укажем на типично дополнительную связь между типами поведения живых существ, которые определяются словами «инстинкт» и «разум». Правда, любые такие слова употребляются в очень разных смыслах; так, инстинкт может значить «побуждение» и «унаследованное поведение», а разум может означать более глубокое восприятие, так же как и сознательное рассуждение. Однако нас теперь занимает только то, как на практике употребляют эти слова, чтобы отмечать разные ситуации, в которых могут оказаться животные и люди. Конечно, никто не будет отрицать, что мы принадлежим к животному миру, и даже было бы довольно трудно найти исчерпывающее определение, выделяющее человека среди животных. Действительно, трудно оценить скрытые возможности любого живого организма, и я думаю, что среди нас нет человека, на которого подчас не производило бы глубокого впечатления то, до чего можно выдрессировать цирковых животных. Четкую границу между человеком и животным нельзя было бы провести даже и по признаку способности передавать информацию от одной особи к другой; но, конечно, наша способность к речи ставит нас в этом отношении в существенно другое положение. Это относится не только к передаче практического опыта, но прежде всего к возможности передавать детям путем обучения традиции, касающиеся поведения и способов рассуждения и образующие основу всякой человеческой культуры.

Что касается сравнения разума с инстинктом, то прежде всего важно себе представить, что никакое настоящее человеческое мышление невозможно без употребления понятий, выраженных на каком-то языке, которому всякое новое поколение должно учиться заново. Это употребление понятий и представлений фактически сильно подавляет инстинктивную жизнь; оно даже находится в исключающей дополнительной связи к проявлению унаследованных инстинктов. Поразительное превосходство низших животных над человеком в использовании возможностей природы для сохранения и распространения жизни, несомненно, находит часто свое истинное объяснение в том, что у таких животных мы не можем обнаружить никакого сознательного мышления в нашем смысле слова. Вспомним также удивительную способность так называемых первобытных людей ориентироваться в лесах и пустынях; хотя такая способность, по-видимому, утрачена в более цивилизованных обществах, она может при случае проснуться в любом из нас. Наличие у первобытных людей такой способности могло бы оправдать вывод, что ее применение возможно, только если не прибегать к мышлению понятиями; со своей стороны такое мышление приспособлено для целей, гораздо более разнообразных и более первостепенной важности с точки зрения развития цивилизации. Новорожденного ребенка едва можно считать человеческим существом именно потому, что он еще не пробудился для пользования понятиями; но, так как он все-таки принадлежит к человеческому роду, хотя он и беспомощнее большинства молодых животных, он, конечно, обладает органической возможностью получить путем обучения культуру, позволяющую ему занять место в том или ином людском обществе.

Такие рассуждения сейчас же ставят вопрос, действительно ли обоснованно широко распространенное убеждение, что каждый ребенок рождается с предрасположением для восприятия какой-то своей особой человеческой культуры; может быть, мы скорее должны считать, что любая культура может быть насаждена и будет процветать на совершенно разных физических почвах. Конечно, мы здесь затрагиваем предмет еще не разрешенных споров среди генетиков, которые занимаются интересными исследованиями о наследовании физических особенностей. В связи с такими спорами мы должны, однако, прежде всего помнить, что различение между генотипом и фенотипом[9], столь плодотворное для разъяснения наследственности у растений и животных, существенно предполагает второстепенность влияния внешних условий жизни на характерные свойства вида. В случае же характерных свойств культур человеческих обществ проблема, однако, меняется на обратную в том смысле, что основой для классификации здесь являются традиционные обычаи, сформированные в ходе истории данного общества под влиянием естественного его окружения. Эти обычаи так же, как и их предпосылки, должны быть подробно проанализированы в первую очередь; лишь затем можно будет перейти к оценке влияния унаследованных биологических различий на развитие и сохранение соответствующих культур. Действительно, характеризуя разные нации и, более того, разные семейства внутри одной нации, мы в большой степени можем считать биологические признаки и духовные традиции независимыми друг от друга; и даже было бы соблазнительно считать прилагательное «человеческий» относящимся, по определению, исключительно к тем признакам, которые не связаны прямо с телесной наследственностью.

С первого взгляда может показаться, что такая позиция означала бы излишнее подчеркивание чисто словесных вопросов. Но весь рост физических наук учит нас тому, что зародыш плодотворного развития часто таится именно в надлежащем выборе определений. Например, если мы подумаем о той ясности, которую внесла в разные отрасли науки аргументация теории относительности, мы действительно увидим, какой прогресс может заключаться в таких формальных усовершенствованиях. Как я уже намекал раньше в моем выступлении, релятивистские точки зрения, без сомнения, могут тоже способствовать более объективному взгляду на соотношения между человеческими культурами; различия между их традициями во многом походят на различия между эквивалентными способами описания физического опыта. Эта аналогия между физическими и гуманитарными проблемами имеет, однако, ограниченный размах, и преувеличение ее привело даже к неправильному пониманию сущности самой теории относительности. В самом деле, единство релятивистской картины мира как раз и влечет за собой возможность для всякого наблюдателя предсказывать в рамках своих собственных представлений, как другой наблюдатель будет описывать свой физический опыт в рамках понятий, естественных для него.

Главными препятствиями для непредубежденной точки зрения на отношение между разными человеческими культурами являются, однако, глубоко коренящиеся различия между традициями, составляющими тот фон, на котором основывается культурная гармония в разных человеческих обществах; эти различия и исключают всякое простое сравнение между такими культурами.

Главным образом именно в связи с этим точка зрения дополнительности выступает как средство справиться с положением. Действительно, при изучении человеческих культур, отличных от нашей собственной, мы имеем дело с особой проблемой наблюдения, которая при ближайшем рассмотрении обнаруживает много признаков, общих с атомными или психологическими проблемами; в этих проблемах взаимодействие между объектом и орудием измерения, или же неотделимость объективного содержания от наблюдающего субъекта, препятствует непосредственному применению общепринятых понятий, пригодных для объяснения опыта повседневной жизни. Особенно при изучении культур первобытных народов этнологи не только отдают себе отчет о риске испортить такую культуру неизбежным контактом, но встречаются, кроме того, и с проблемой воздействия таких исследований на их собственную позицию как людей. Я имею здесь в виду хорошо знакомое исследователям неизвестных стран потрясение их собственных, до тех пор не осознанных предрассудков, которое они испытывают, встретив неожиданную внутреннюю гармонию, которую человеческая жизнь может представить даже при условиях и традициях, радикально отличных от их собственных. В качестве особо убедительного примера я мог бы напомнить вам, до какой степени в некоторых обществах роли мужчин и женщин противоположны нашим не только в отношении домашних и общественных обязанностей, но также и в отношении поведения и интеллекта. Многие из нас, может быть, сначала и откажутся допустить возможность того, что только из-за каприза судьбы люди, о которых идет речь, имеют свою особую культуру, а не нашу, а у нас не их культура, а наша собственная. Всякое сомнение на этот счет уже заключает в себе измену национальному самодовольству, свойственному всякой человеческой культуре, замкнутой в себе.

В атомной физике слово «дополнительность» употребляют, чтобы характеризовать связь между данными, которые получены при разных условиях опыта и могут быть наглядно истолкованы лишь на основе взаимно исключающих друг друга представлений. Употребляя теперь это слово в том же примерно смысле, мы поистине можем сказать, что разные человеческие культуры дополнительны друг к другу. Действительно, каждая такая культура представляет собой гармоническое равновесие традиционных условностей, при помощи которых скрытые потенциальные возможности человеческой жизни могут раскрыться так, что обнаружат новые стороны ее безграничного богатства и многообразия. Конечно, в этой области не может быть и речи о таких абсолютно исключающих друг друга соотношениях, как те, какие имеются между дополнительными данными о поведении четко определенных атомных объектов. Ведь едва ли существует культура, про которую можно было бы сказать, что она полностью самобытна. Наоборот, все мы знаем из многочисленных примеров, как более или менее тесный контакт между разными человеческими обществами может привести к постепенному слиянию традиций, из чего рождается совсем новая культура. Смешение народов в результате эмиграции или завоеваний имеет важное значение для прогресса человеческой цивилизации, и об этом едва ли нужно напоминать. Величайшая перспектива гуманитарных исследований, может быть, и состоит в том, чтобы, все больше и больше расширяя наши знания по истории развития культуры, способствовать тому постепенному устранению предубеждений, которое является общей целью всех наук.

Как я уже подчеркнул в начале своего выступления, внести какой-нибудь непосредственный вклад в решение проблем, обсуждаемых знатоками на настоящем конгрессе, выходит далеко за мои возможности. Моей единственной целью было дать вам понятие об общей гносеологической позиции, которую мы вынуждены занять в области, столь далекой от людских страстей, какой является анализ простых физических опытов. Я не знаю, однако, нашел ли я нужные слова, чтобы дать вам это общее понятие, и, прежде чем закончу, я позволю себе рассказать вам про один случай, который очень ярко напомнил мне о моих ограниченных возможностях в этом отношении. Я хотел как-то объяснить одной аудитории, что я употребляю слово «предубеждение» без всякого оттенка осуждения других культур, но просто для того, чтобы характеризовать нашу неизбежно несколько предвзятую систему понятий. Для этого я в шутку напомнил о традиционных предубеждениях, которые датчане питают по отношению к своим шведским братьям по ту сторону прекрасного Зунда, расстилающегося за этими окнами; братьям, с которыми мы сражались в течение столетий даже в стенах этого замка и из контакта с которыми мы в течение веков извлекли так много плодотворного вдохновения. Поймите же, какой удар я получил, когда после моего доклада один из слушателей подошел ко мне и сказал, что он не понимает, за что я так ненавижу шведов. Очевидно, я выражался тогда довольно туманно, и боюсь, что и сегодня говорил очень непонятно. Тем не менее я надеюсь, что я все же говорил не настолько неясно, чтобы могли возникнуть подобные недоразумения относительно цели и направленности моих рассуждений.

1938

Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике

Когда я получил от издателя серии «Современные философы» («Living Philosophers») предложение написать статью для настоящего тома, в котором современные исследователи чествуют Альберта Эйнштейна за его колоссальный вклад в область естественных наук и в котором они выражают благодарность всего нашего поколения за проложенный его гением путь, я много размышлял о том, как бы мне лучше выразить, насколько я ему обязан за его вдохновляющие идеи. При этом я живо вспомнил встретившиеся мне на протяжении ряда лет многочисленные случаи, когда я имел удовольствие обсуждать с Эйнштейном гносеологические проблемы, поставленные новейшим развитием атомной физики; и я подумал, что едва ли я мог бы дать что-нибудь лучшее, чем рассказ об этих спорах, которые – хотя они и не привели к полному согласию – были для меня чрезвычайно ценными и стимулирующими. В то же время я надеюсь, что такой рассказ может дать более широким кругам представление о том, насколько полезен был открытый обмен мыслями для прогресса в области, где новые результаты время от времени требовали от нас пересмотра наших воззрений.

Главным предметом нашего спора с самого начала был вопрос о том, какую позицию следует занять по отношению к тем отклонениям от привычных принципов описания природы, которые характерны для новейшего развития физики. Я имею в виду тот путь, на который вступила физика в первом году нашего века в результате открытия Планком универсального кванта действия. Это открытие выявило в законах природы черту атомистичности, которая выходит далеко за пределы старого учения об ограниченной делимости материи; действительно, это открытие показало нам, что классические теории физики являются идеализациями, которые допускают однозначное применение только в тех предельных случаях, когда все величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия. На обсуждении стоял вопрос, следует ли рассматривать отказ от причинного описания атомных процессов, фактически содержащийся в попытках овладеть новым положением вещей, как временное пренебрежение идеалами, которые в конечном счете снова вернут свои права, или же дело идет о необратимом шаге на пути к настоящей гармонии между анализом и синтезом физических явлений. Для того чтобы дать как можно более ясное представление о том фоне, на котором протекали наши споры, и об аргументах, выдвигавшихся в пользу той или другой из противоположных точек зрения, я считаю необходимым напомнить с достаточной подробностью главные черты того развития теории, в которое сам Эйнштейн внес такой решающий вклад.

Как известно, Больцман впервые установил наличие внутренней связи между законами термодинамики и статистическими закономерностями, которые проявляются в механических системах с большим числом степеней свободы. Идея о существовании этой связи была руководящей идеей Планка в его остроумном исследовании проблемы теплового излучения – исследовании, приведшем его к фундаментальному открытию. Рассуждения Планка были в основном статистического характера; Планк весьма осторожно избегал окончательных выводов о том, в какой мере существование кванта действия означает отход от основных законов механики и электродинамики. Сущность же великого вклада Эйнштейна в квантовую теорию (1905) как раз и состояла в признании того, что такие физические явления, как фотоэффект, могут непосредственно зависеть от индивидуальных квантовых эффектов. В те же годы, когда Эйнштейн, развивая свою теорию относительности, создавал тем самым новую основу физики, он одновременно исследовал своим дерзким умом новые черты атомизма, уводившие далеко за рамки классической физики.

Таким путем безошибочная интуиция Эйнштейна привела его шаг за шагом к выводу, что всякий излучательный процесс состоит из испускания или поглощения индивидуальных световых квантов или «фотонов» с энергией и количеством движения

E = hν и, P = hσ, (1)

причем h есть постоянная Планка, тогда как v есть число колебаний в единицу времени, а σ – число волн на единицу длины. Представление о фотоне, при всей его плодотворности, выдвинуло совершенно непредусмотренную дилемму, поскольку всякая простая корпускулярная картина излучения явно несовместима с явлениями интерференции, которые представляют важную особенность процессов излучения и могут быть описаны только при помощи волновой картины. Острота дилеммы подчеркивается тем фактом, что интерференционные явления – это единственное средство для определения тех самых понятий частоты и длины волны, которые входят в соотношения для энергии и количества движения фотона.

При таком положении вещей не могло быть и речи о попытке причинного анализа явлений излучения; дело могло идти только о том, чтобы путем комбинированного применения противоположных картин вычислять вероятности отдельных актов излучения. Здесь очень важно полностью отдавать себе отчет в том, что при таких обстоятельствах привлечение законов вероятностей преследует существенно другие цели, чем обычное применение статистических соображений в качестве практического способа объяснения свойств механических систем с весьма сложной структурой. В самом деле, в квантовой физике дело не в такого рода сложности, а в непригодности классической системы представлений для передачи своеобразных черт неделимости или «индивидуальности», характеризующих элементарные процессы.

Непригодность теорий классической физики для объяснения атомных процессов все яснее выявлялась по мере нашего ознакомления со строением атомов. Прежде всего, открытие Резерфордом атомного ядра (1911) одним ударом вскрыло непригодность классических представлений механики и электродинамики для объяснения свойственной атому стабильности. И здесь теория квантов снова дала ключ к выяснению положения вещей; в частности, появилась возможность объяснить как стабильность атомов, так и эмпирические законы, которым подчиняются спектры элементов. В основе этого объяснения лежит предположение о том, что всякая реакция атома, ведущая к изменению его энергии, включает в себя полный переход атома от одного так называемого стационарного квантового состояния к другому и что, в частности, спектры испускаются ступенчатым процессом, причем каждый переход сопровождается испусканием монохроматического кванта света, энергия которого в точности равна энергии эйнштейновского фотона.

Эти представления, вскоре подтвержденные опытами Франка и Герца (1914) над возбуждением спектров при ударе электронов об атомы, заключают в себе дальнейший отказ от причинного способа описания; ибо толкование спектральных законов явно предполагает, что атом в возбужденном состоянии имеет, вообще говоря, возможность перейти с испусканием фотонов в одно из своих состояний с меньшей энергией. Действительно, самое представление о стационарных состояниях несовместимо с каким-либо предписанием относительно выбора между такими переходами и допускает только применение понятия об относительных вероятностях отдельных процессов перехода. При оценке таких вероятностей единственной основой служил так называемый принцип соответствия, возникший из стремления найти наиболее тесную связь между статистическим описанием атомных процессов и следствиями, которые следовало бы ожидать на основании классической теории. Последняя должна быть непосредственно применима только в предельном случае, когда рассматриваемые на всех этапах анализа явлений величины размерности действия велики по сравнению с универсальным квантом действия.

В то время еще не намечалось никакой общей непротиворечивой квантовой теории; тогдашняя точка зрения на эти вопросы может быть, однако, иллюстрирована следующим отрывком из доклада, сделанного автором в 1913 г.:

«Я надеюсь, что говорил достаточно ясно для того, чтобы вы поняли, насколько сильно приведенные рассуждения отклоняются от той замечательно последовательной системы понятий, которую по праву называют классической электродинамической теорией. С другой стороны, именно тем, что я так сильно подчеркивал это противоречие, я пытался дать вам почувствовать, что со временем все-таки можно будет привести новые понятия в какую-то систему».

Важный шаг вперед в развитии квантовой теории был сделан самим Эйнштейном в его знаменитой статье 1917 г. о равновесном излучении [3]. В ней он показал, что закон Планка о тепловом излучении допускает простой вывод на основе предположений, совпадающих с основными идеями квантовой теории строения атомов. С этой целью Эйнштейн формулировал общие статистические правила для излучательных переходов между стационарными состояниями. При этом он считал, что процессы испускания и поглощения будут иметь место не только для атомов, подвергаемых действию излучения (причем вероятность их в единицу времени будет пропорциональна интенсивности падающего света), но что даже при отсутствии внешних возмущений могут иметь место спонтанные процессы излучения, число которых в единицу времени соответствует некоторой априорной вероятности. По поводу последнего пункта Эйнштейн весьма выразительно подчеркнул фундаментальный характер статистического описания тем, что указал на аналогию между предположением о существовании спонтанных излучательных переходов и хорошо известными законами, управляющими превращениями радиоактивных веществ.

В связи со своим тщательным анализом вытекающих из термодинамики требований в отношении задач излучения Эйнштейн еще больше заострил дилемму, указав, что если его рассуждения справедливы, то всякий процесс излучения должен иметь определенное направление. Последнее нужно понимать в том смысле, что не только атом, поглощающий квант света, получает от фотона количество движения, направление которого соответствует направлению распространения фотона, но что и излучающий атом получает импульс в противоположном направлении, причем это имеет место, несмотря на то, что по волновой картине не может быть и речи о предпочтительном направлении в акте излучения. Отношение самого Эйнштейна к таким поразительным выводам выражено в нескольких фразах в конце упомянутой выше его статьи:

«Эти свойства элементарных процессов заставляют считать почти неизбежным построение собственно квантовой теории излучения. Слабость теории состоит, с одной стороны, в том, что она не приближает нас к объединению с волновой теорией, и, с другой стороны, в том, что она предоставляет „случаю“ время и направление элементарных процессов; тем не менее я питаю полное доверие к надежности того пути, на который мы вступили».

Когда в 1920 г. при моем посещении Берлина я в первый раз встретился с Эйнштейном – что было для меня великим событием, – эти фундаментальные вопросы и были темой наших разговоров. Обсуждения, к которым я потом часто мысленно возвращался, добавили к моему восхищению Эйнштейном еще и глубокое впечатление от его непредвзятой научной позиции. Его пристрастие к таким красочным выражениям, как «призрачные поля, управляющие фотонами» («Gespensterfelder, die Photonen leiten»), не означало, конечно, что он склонен к мистицизму, но свидетельствовало о глубоком юморе, скрытом в его проницательных замечаниях. И все-таки между нами оставалось некоторое расхождение в отношении нашей точки зрения и наших видов на будущее. При его мастерстве согласовывать, казалось бы, противоречащие друг другу факты, не отказываясь от непрерывности и причинности, Эйнштейн, быть может, меньше, чем кто-либо другой, был склонен отбросить эти идеалы, – меньше, чем кто-либо, кому такой отказ представлялся единственной возможностью согласовывать многообразный материал из области атомных явлений, накапливавшийся день ото дня при исследовании этой новой отрасли знаний.

В последующие годы, в течение которых атомные проблемы привлекали к себе внимание быстро растущего круга физиков, кажущиеся противоречия внутри квантовой теории ощущались все острее. Очень показательна дискуссия, возникшая в 1922 г. в связи с открытием эффекта Штерна и Герлаха. С одной стороны, этот эффект давал убедительное подтверждение представлению о стационарных состояниях и, в частности, для построенной Зоммерфельдом квантовой теории эффекта Зеемана; с другой же стороны, как ясно показали Эйнштейн и Эренфест[10], наличие такого эффекта ставило непреодолимые трудности перед всякой попыткой наглядно представить себе поведение атома в магнитном поле. Подобные же парадоксы возникли в результате открытия Комптоном (1924) изменения длины волны, сопровождающего рассеяние рентгеновых лучей электронами. Как известно, этот опыт дал самое непосредственное доказательство справедливости точки зрения Эйнштейна на перенос энергии и количества движения при процессах излучения. Однако в то же время было очевидно, что никакая простая картина явления как столкновения частиц не может дать исчерпывающего его описания. Под впечатлением таких трудностей временно возникли даже сомнения в сохранении энергии и количества движения в индивидуальных процессах излучения. Такие сомнения, однако, вскоре исчезли перед лицом уточненных опытов, выяснивших наличие однозначного соотношения между отклонением фотонов и соответствующей отдачей электрона.

Путь к выяснению положения вещей был проложен только развитием более объемлющей теории квантов. Первым шагом к этой цели было предуказание де Бройлем (в 1925 г.) того факта, что двойственность волна – частица не ограничивается свойствами излучения, но в равной мере неизбежна и при описании поведения материальных частиц. Эта мысль была вскоре убедительно подтверждена опытами над явлениями интерференции электронов. Эйнштейн сразу же радостно приветствовал эту мысль, так как им уже была установлена глубоко лежащая аналогия между свойствами теплового излучения и свойствами газов в так называемом вырожденном состоянии. Новая линия была с огромным успехом продолжена Шредингером (1926), который, в частности, показал, как стационарные состояния атомной системы могут быть представлены при помощи собственных решений волнового уравнения. Путь к установлению вида волнового уравнения был ему указан формальной аналогией между механическими и оптическими проблемами, на которую впервые обратил внимание Гамильтон. Парадоксальные черты теории квантов, однако, нисколько не смягчились; они, пожалуй, даже обострились еще больше в силу кажущегося противоречия между требованиями свойственного волновому описанию общего принципа наложения и присущими атомным процессам чертами индивидуальности.

В это же время Гейзенберг (1925) заложил основы рациональной квантовой механики, которая получила быстрое развитие благодаря важным вкладам Борна и Иордана, а также Дирака. Теория вводит формальный аппарат, в котором кинематические и динамические переменные классической механики заменяются абстрактными символами, подчиняющимися некоммутативной алгебре. Несмотря на отказ от понятия траектории частицы, основные уравнения механики в их гамильтоновой канонической форме были сохранены без изменений, а постоянная Планка вошла лишь в перестановочные соотношения

справедливые для каждой пары сопряженных переменных q и р. Вводя для абстрактных символов представление в форме матриц с элементами, относящимися к переходам между стационарными состояниями, оказалось возможным впервые дать принципу соответствия количественную формулировку. Напомним здесь, что важный предварительный шаг в этом направлении был сделан (в частности, Крамерсом) при построении квантовой теории дисперсии; в основе этой теории лежат эйнштейновские общие правила для вероятностей процессов поглощения и испускания.

Как было вскоре показано Шредингером, эта матричная форма квантовой механики приводит к результатам, совпадающим с теми, какие можно получить с помощью методов волновой теории, которые часто оказываются более удобными в математическом отношении. В последующие годы были постепенно разработаны общие методы такого описания атомных процессов, которое, по существу, является статистическим; эти методы объединили логически непротиворечивым образом характерную для квантовой теории черту неделимости атомных процессов с требованиями, вытекающими из принципа наложения.

Из многочисленных достижений этого времени упомянем прежде всего, что аппарат квантовой механики позволил дать формулировку принципу, которому подчиняются состояния систем с несколькими электронами; этот принцип был установлен Паули на основании анализа атомных спектров еще до построения квантовой механики. Количественный охват большого эмпирического материала не оставлял больше сомнений в плодотворности и пригодности аппарата квантовой механики; однако абстрактный характер этого аппарата вызывал широко распространенное чувство неудовлетворенности. В самом деле, прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике.

Эта фаза развития была, как известно, начата в 1927 г. Гейзенбергом[11], указавшим на то, что данные о состоянии атомной системы всегда страдают своеобразной «неопределенностью». Так, всякое измерение положения электрона при помощи прибора, работающего на высокочастотном излучении (например, микроскопа), связано, согласно основным уравнениям (1), с обменом импульсом между электроном и измерительным прибором, причем этот обмен будет тем больше, чем точнее стремятся измерить положение. Сравнивая такие рассуждения с требованиями, вытекающими из формального аппарата квантовой механики, Гейзенберг обратил внимание на тот факт, что перестановочное соотношение (2) накладывает на точность, с которой могут быть фиксированы две сопряженные переменные q и p, взаимное ограничение, выражающееся зависимостью

ΔqΔp ≈ h, (3)

причем Δq и Δp представляют неопределенности в измеряемых значениях этих переменных. Это соотношение неопределенностей указывает на тесную связь между принятым в квантовой механике статистическим способом описания и фактическими измерительными возможностями. Как показал Гейзенберг, оно имеет благодаря атому величайшее значение для объяснения парадоксов, к которым приводят попытки анализа квантовых эффектов при помощи обычных физических представлений.

На международном конгрессе физиков в Комо, посвященном памяти Вольты и созванном в сентябре 1927 г., новейшие успехи атомной физики были предметом обстоятельных дискуссий. В своем докладе я развил тогда точку зрения, которую кратко можно охарактеризовать словом «дополнительность»; эта точка зрения позволяет, с одной стороны, охватить характерную для квантовых процессов черту неделимости и, с другой стороны, разъяснить существующие в этой области особенности постановки задачи о наблюдении. Для этого решающим является признание следующего основного положения: как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные (evidence) должны описываться при помощи классических понятий.

Обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова «эксперимент». Словом «эксперимент» мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщить другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики.

Из этого основного положения, обсуждение которого стало главной темой излагаемой здесь дискуссии, можно сделать следующий вывод. Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления. В самом деле, неделимость типичных квантовых эффектов проявляется в том, что всякая попытка подразделить явления требует изменения экспериментальной установки и тем самым влечет за собой новые возможности принципиально неконтролируемого взаимодействия между объектами и измерительными приборами. Вследствие этого данные, полученные при разных условиях опыта, не могут быть охвачены одной-единственной картиной; эти данные должны скорее рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта.

При этих обстоятельствах приписывание атомным объектам обычных физических атрибутов существенным образом связано с неоднозначностью; непосредственно это обнаруживается в дилемме, касающейся корпускулярных и волновых свойств электронов и фотонов, где мы имеем дело с как бы противоречащими друг другу картинами, из которых каждая представляет существенную сторону того, что дает нам опыт. Все кажущиеся парадоксы могут быть устранены путем исследования тех (несовместимых) условий опыта, при которых наблюдаются дополнительные явления. Поучительным примером этого может служить эффект Комптона, непротиворечивое описание которого вначале представляло такие большие трудности. В этом примере разъяснение состоит в том, что всякая установка, пригодная для изучения обмена энергией и количеством движения между электронами и фотонами, необходимо должна оставлять в пространственно-временной локализации процесса допуски, достаточные для того, чтобы придать определенность понятиям волнового числа и частоты [эти величины входят в уравнение (1)]. И обратно, всякая попытка более точного определения места столкновения между фотоном и электроном сделала бы невозможным подведение более точного баланса энергии и количества движения; невозможность эта обусловлена неизбежным взаимодействием с неподвижными масштабами и часами, определяющими пространственно-временную систему отсчета.

Как подчеркнуто в докладе, надлежащим средством для дополнительного описания как раз и служит формальный аппарат квантовой механики. Этот формальный аппарат представляет собою чисто символическую схему, позволяющую делать предсказания результатов опытов, производимых в определенных условиях, которые должны характеризоваться при помощи классических понятий. Эта схема связана с классической теорией принципом соответствия. Следует напомнить, что и в соотношении неопределенности мы имеем дело с таким следствием формального аппарата, которое не может быть недвусмысленно выражено словами, приспособленными для описания классической картины физического явления. Так, после фразы: «Мы не можем одновременно узнать положение и количество движения атомного объекта» – немедленно возникает вопрос о физической реальности двух таких атрибутов объекта; а на этот вопрос можно ответить, только исследуя условия для недвусмысленного применения пространственно-временных понятий, с одной стороны, и динамических законов сохранения – с другой. Объединение этих понятий в цельную картину причинной цепи явлений составляет сущность классической механики. Что касается закономерностей, находящихся вне досягаемости такого классического описания, то место для них освобождается именно благодаря тому, что изучение дополнительных явлений требует взаимно исключающих экспериментальных установок.

Возникшая в атомной физике необходимость заново рассмотреть те основания, на которые должно опираться непротиворечивое применение элементарных физических идей, напоминает в некотором смысле ситуацию, с которой столкнулся в свое время Эйнштейн. Эта ситуация побудила Эйнштейна пересмотреть основания, на которые опираются все применения пространственно-временных понятий, и благодаря тому, что в процессе пересмотра было подчеркнуто фундаментальное значение проблемы наблюдения, в результате чего наше физическое мировоззрение приобрело замечательную стройность и единство. Несмотря на всю новизну и необычность способа рассмотрения, теория относительности сохраняет причинное описание, применяемое внутри каждой данной системы отсчета; в квантовой же механике мы вынуждены отказаться и от этого, отказаться из-за неконтролируемого взаимодействия между объектами и измерительными приборами. Этот факт, однако, отнюдь не указывает на ограниченность или неполноту квантово-механического описания, и приведенная в моем докладе в Комо аргументация как раз имела целью показать, что точка зрения «дополнительности» может рассматриваться как разумное обобщение идеала причинности.

Во время общей дискуссии в Комо нам вcем недоставало Эйнштейна. Но вскорhе после этого, в октябре 1927 г., я имел возможность встретиться с ним в Брюсcеле на 5-м Физическом конгрессе Института Сольвей, посвященном теме «Электроны и фотоны». На Сольвейских съездах Эйнштейн всегда был одной из самых заметных фигур, и многие из нас пришли на это заседание в надежде узнать, какова будет реакция Эйнштейна на новейший этап развития теории – этап, который, по нашему мнению, принес удовлетворительное разъяснение проблем, впервые выдвинутых с такой проницательностью самим Эйнштейном. Во время дискуссий тема была освещена докладами со многих сторон; в частности, были доложены и соображения, изложенные на предыдущих страницах. Эйнштейн же выразил свою глубокую тревогу по поводу того, что в квантовой механике так далеко отошли от причинного описания в пространстве и времени.

Рис. 5

Чтобы пояснить свою точку зрения, Эйнштейн привел на одном из заседаний простой пример частицы (электрона или фотона), проникающей через отверстие или узкую щель в экране, за которым на некотором расстоянии поставлена фотографическая пластинка (рис. 5). Благодаря тому что связанная с движением частицы волна претерпевает дифракцию (на рисунке эта волна изображена тонкими линиями), при этих условиях нельзя с уверенностью предсказать, в какой точке электрон попадет на фотографическую пластинку: можно только вычислить вероятность обнаружить электрон на опыте в некоторой заданной части пластинки. С таким описанием процесса связано одно кажущееся затруднение, которое сильно смущало Эйнштейна. Это затруднение состоит в следующем: если на опыте электрон был зарегистрирован в точке А пластинки, то тем самым совершенно исключается возможность наблюдать какое-либо действие этого электрона в другой точке В, хотя законы обычного распространения волн не допускают какой-либо корреляции между двумя такими событиями.

Точка зрения Эйнштейна развязала в более тесном кругу горячие споры. Самое живое и стимулирующее участие принимал в этих спорах и Эренфест, уже много лет связанный с нами обоими тесной дружбой. Разумеется, все мы поняли, что в приведенном выше примере положение не представляет аналогии статистическому рассмотрению сложных механических систем. Положение это скорее напоминало то, которое явилось предпосылкой для выводов, сделанных ранее самим Эйнштейном об определенной направленности индивидуальных излучательных эффектов, выводов, стоящих в столь резком противоречии с простой волновой картиной. Центральным вопросом, вокруг которого шел спор, был вопрос о том, исчерпывает ли квантово-механическое описание то, что можно действительно наблюдать, или же, как настаивал Эйнштейн, анализ можно вести дальше; и нельзя ли в последнем случае достигнуть более полного описания явлений путем учета детального баланса энергии и количества движения в элементарных процессах.

Для пояснения хода мыслей Эйнштейна в его рассуждениях укажем здесь на некоторые простые особенности баланса количества движения и энергии в связи с определением положения частицы в пространстве и времени. Для этого мы рассмотрим простой случай частицы, проникающей через отверстие в диафрагме, причем отверстие или всегда открыто (рис. 6а), или же может открываться и закрываться при помощи затвора (рис. 6б). Параллельные равно отстоящие линии на левой стороне рисунка изображают последовательность плоских волн, соответствующую состоянию движения частицы, которая до прохода через диафрагму имеет количество движения Р, связанное с волновым числом σ вторым уравнением (1). Благодаря дифракции волн при проходе через отверстие, состояние движения частицы справа. от диафрагмы изображается последовательностью сферических волн с определенным углом раствора, в случае рис. 2б последовательность эта ограничена также и в радиальном направлении. Следовательно, описание этого состояния содержит неопределенность Δ р в составляющей количества движения частицы, параллельной плоскости диафрагмы; в случае диафрагмы с затвором имеется также неопределенность Δ Е в кинетической энергии частицы.

Рис. 6

Так как неопределенность Δ q в положении частицы на плоскости диафрагмы измеряется радиусом отверстия а и так как , то, применяя (1), мы получим как раз  в согласии с соотношением неопределенностей (3). Этот результат можно было бы получить и непосредственно, если учесть пространственную ограниченность волнового поля в том месте, где находится отверстие. Вследствие этого обстоятельства составляющая волнового числа, параллельная плоскости диафрагмы, определена лишь внутри промежутка шириной . Подобно этому, ширина разброса частот гармонических составляющих в ограниченной последовательности волн на рис. 2б равна, очевидно, , причем Δ t означает промежуток времени, в течение которого затвор оставляет отверстие открытым; тем самым Δ t представляет неопределенность в моменте прохождения частицы сквозь диафрагму. Отсюда по формуле (1) мы получим

опять-таки в согласии с уравнением (3) для обеих сопряженных переменных Е и t.

С точки зрения законов сохранения происхождение таких неопределенностей (входящих в описание состояния частицы после прохождения ее сквозь диафрагму) можно отнести за счет возможности обмена количеством движения и энергией с диафрагмой или же с затвором. В системе отсчета, которая рассматривается на рис. 2а и 2б, скоростью диафрагмы можно пренебречь; тогда нужно будет принимать во внимание один только обмен количеством движения между частицей и диафрагмой. Но затвор, который держит отверстие открытым в течение времени Δ t, движется со значительной скоростью . Поэтому с переносом количества движения Δ р будет связан и обмен энергией с частицей, равный

т. е. точно такого же порядка величины, как и неопределенность в энергии Δ Е, получаемая из (4), так что закон сохранения количества движения и энергии будет соблюдаться.

Задача, поставленная Эйнштейном, состояла в том, чтобы выяснить, до какой степени контроль над переносом количества движения и энергии (переносом, связанным с определением положения частицы) может быть использован для более детального описания состояния частицы после ее прохождения через дырку. При этом мы должны иметь в виду следующее. До сих пор диафрагма и затвор считались точно связанными с пространственно-временной системой отсчета, так что положение и движение их в этой системе считались точно известными. Такое предположение означает существенную неопределенность в энергии и количестве движения этих тел, которая, впрочем, может и не влиять заметным образом на скорости, если только диафрагма и затвор достаточно тяжелы. Однако, как только мы захотим узнать количество движения и энергию этих частей измерительного прибора с такой точностью, которая была бы достаточной для контролирования обмена количеством движения и энергией с исследуемой частицей, дело изменится. Мы потеряем тогда – в согласии с общими соотношениями неопределенностей – возможность точного определения положения диафрагмы и затвора в пространстве и времени. Поэтому мы должны проследить, до какой степени это обстоятельство повлияет на предполагаемое использование всей установки, и как раз этот кардинальный пункт и выявляет, как мы увидим, дополнительный характер явлений.

Возвращаясь на минуту к случаю простой установки, изображенной на рис. 5, заметим, что мы еще не уточняли, для чего она должна служить. В самом деле, невозможность более точно предсказать место попадания частицы на фотографическую пластинку логически вытекает из аппарата квантовой механики только в том случае, если предположить, что диафрагма и пластинка имеют точно определенные положения в пространстве. Если же допустить достаточно большую неточность в знании положения диафрагмы, то в принципе должно быть возможно проконтролировать передачу количества движения на диафрагму и тем самым сделать более точные предсказания относительно направления пути электрона от дырки до точки встречи с пластинкой. С точки зрения квантово-механического описания мы имеем здесь дело с системой двух тел, состоящей из диафрагмы и частицы. Непосредственное применение законов сохранения к системе именно такого рода встречается при изучении эффекта Комптона; например, наблюдение отдачи электрона при помощи камеры Вильсона дает нам возможность предсказать, в каком направлении будет наблюдаться рассеянный фотон.

В ходе дискуссий важность такого рода рассуждений была освещена на очень интересном примере установки, в которой между экраном со щелью и фотографической пластинкой поставлен второй экран с двумя параллельными щелями, как показано на рис. 7. Если параллельный пучок электронов (или фотонов) падает слева на первую диафрагму, то при обычных условиях опыта мы будем наблюдать на фотопластинке интерференционную картину, изображенную штриховкой на правой стороне рисунка (вид фотопластинки спереди). При интенсивном облучении эта картина складывается путем накопления многочисленных единичных процессов, причем каждый из них дает по одному маленькому пятну на фотографической пластине. Распределение этих пятен следует простому закону, который выводится из волнового анализа. Такое же распределение должно получаться и из статистики по большому числу опытов, произведенных с облучением столь слабым, что при каждой отдельной экспозиции до пластинки дойдет только один электрон (или фотон), который и проявится в одной-единственной точке, как это показано звездочкой на рисунке. В этом случае следует ожидать, что импульс, сообщенный первой диафрагме, будет различным в зависимости от того, пройдет ли электрон сквозь верхнюю или сквозь нижнюю щель второй диафрагмы- (см. пунктирные стрелки на рис. 7). Опираясь на это, Эйнштейн указал, что контроль над переданным импульсом позволил бы произвести более подробный анализ процесса и, в частности, дал бы возможность решить, через которую из двух щелей прошел электрон перед тем, как попасть на пластинку.

Рис. 7

Более тщательное рассмотрение показало, однако, что предложенный контроль над передачей количества движения невозможен без неточности в знании положения диафрагмы, неточности, исключающей возникновение интерференционных явлений. Действительно, если ω означает малый угол между предполагаемыми путями частицы через верхнюю и через нижнюю щели, то разность между переданными импульсами в обоих случаях будет, согласно (1), равна hσω и всякий контроль над количеством движения диафрагмы с точностью, достаточной для измерения этой разности, повлечет за собой неточность в определении положения диафрагмы по крайней мере порядка , согласно соотношению неопределенностей. Если диафрагма с двумя щелями поставлена посередине между первой диафрагмой и фотопластинкой, как на рис. 3, то видно, что число полос на единицу длины как раз равно σω; а так как неопределенность в положении первой диафрагмы вызывает такую же неопределенность в положении полос, то, следовательно, никакой интерференции произойти не может. Такой же результат получается, как легко можно показать, для любого другого положения второй диафрагмы между первой диафрагмой и пластинкой; то же самое получилось бы, если бы для контроля (с вышеуказанной целью) над передачей импульса употреблялась не первая диафрагма, а вторая, или же фотопластинка.

Этот пункт логически очень важен, так как только то обстоятельство, что мы стоим перед выбором или следить за траекторией частицы, или же наблюдать интерференцию, позволяет нам избежать парадоксального вывода о том, что поведение электрона или фотона должно зависеть от наличия в экране щели, сквозь которую он заведомо не проходил. Мы имеем здесь типичный пример того, как дополнительные явления протекают при взаимно исключающих друг друга экспериментальных условиях; при анализе квантовых эффектов мы стоим перед невозможностью провести резкую границу между поведением атомных объектов самих по себе и их взаимодействием с измерительными приборами, которые определяют самые условия возникновения явлений.

Наши разговоры о той позиции, которую следует занять перед лицом новой ситуации в области анализа и синтеза опытов, естественно, коснулись многих вопросов философского порядка; но при всем различии в нашем подходе и в наших мнениях споры воодушевлялись духом юмора. Со своей стороны Эйнштейн насмешливо спрашивал нас, неужели мы действительно верим, что божественные силы прибегают к игре в кости («…ob der liebe Gott würfelt»), а я на это отвечал, что уже мыслители древности указывали на необходимость величайшей осторожности в присвоении провидению атрибутов, выраженных в понятиях повседневной жизни. Я вспоминаю также, как в самый разгар спора Эренфест, со свойственной ему милой манерой поддразнивать своих друзей, шутливо указал на очевидную аналогию между позицией Эйнштейна и той позицией, которую занимают противники теории относительности. Но тотчас же Эренфест добавил, что он не обретет душевного покоя до тех пор, пока не будет достигнуто согласие с Эйнштейном.

Рис. 8

Сомнения Эйнштейна и его критика дали нам всем чрезвычайно ценный толчок к тому, чтобы вновь рассмотреть различные аспекты той ситуации, с которой мы сталкиваемся при описании атомных явлений. Я был рад воспользоваться этим поводом, чтобы еще отчетливее выяснить роль измерительных приборов; и для того, чтобы возможно яснее и нагляднее показать взаимно исключающий характер условий опытов, при которых возникают дополнительные явления, я попробовал тогда набросать различные приборы в псевдореалистическом стиле, примеры которого показаны на приведенных здесь рисунках. Для изучения такого явления интерференции, как на рис. 6, естественно использовать экспериментальную установку, изображенную на рис. 7. Здесь неподвижные части прибора (диафрагмы и подставка для пластинки) закреплены шурупами на общей доске. В такой установке наше знание относительных положений диафрагм и пластинки обеспечивается жестким креплением их; но благодаря ему здесь, очевидно, невозможно контролировать перенос количества движения от частицы к различным частям прибора. Единственная при такой установке возможность убедиться, что частица прошла через одну определенную щель во втором экране, состоит в том, чтобы закрыть другую щель затвором, как показано на рис. 8. Но если щель закрыта, то, конечно, не может возникнуть и интерференция, и мы будем наблюдать на пластинке сплошное распределение, как и в случае одной неподвижной диафрагмы на рис. 5.

При изучении явлений, для описания которых необходимо знание детального баланса количества движения, очевидно, нужно допустить, чтобы некоторые части всего прибора могли свободно двигаться (независимо друг от друга). На рис. 6 изображен такой прибор, в котором экран со щелью подвешен на твердом ярме при помощи слабых пружинок. Ярмо привинчено к той же доске, на которой укреплены и остальные неподвижные части установки. С помощью шкалы на экране и стрелки на стойках ярма можно изучать движение экрана в той мере, в какой это нужно для оценки количества движения, перенесенного на экран. Это позволяет судить о том отклонении, которое испытывает частица при прохождении через щель. Но так как всякий отсчет по шкале, каким бы образом он ни был произведен, влечет за собой неконтролируемое изменение количества движения экрана, то в согласии с принципом неопределенности всегда будет существовать обратное взаимоотношение между точностью нашего знания положения щели и точностью контроля количества движения.

Рис. 9

В таком же полусерьезном стиле рис. 6 показывает экспериментальную установку, пригодную для изучения явлений, которые – в противоположность только что рассмотренным – требуют также и координации во времени. Установка состоит из прибора, в котором затвор жестко соединен с солидными часами, обладающими сильной пружиной; часы закреплены на той же доске, где стоит и экран. Кроме часов и экрана, на той же доске должны быть закреплены и другие части аналогичного назначения, приводимые в действие либо тем же часовым механизмом, либо другими синхронными с ним часами. Рисунок должен подчеркнуть тот факт, что часы представляют собой машину, работа которой может быть полностью описана средствами обычной механики, причем ни отсчет положения стрелок, ни взаимодействие между атомной частицей и отдельными частями этой машины не оказывают на ее работу никакого влияния. Поскольку прибор такого типа может осуществлять открывание дырки в определенный момент, он мог бы, например, служить для точного измерения времени, которое требуется электрону или фотону, чтобы дойти от диафрагмы до какого-нибудь другого места; но очевидно, что он не дает возможности измерять передачу энергии на затвор и тем самым выводить заключения об энергии частицы, пролетевшей через диафрагму. Совершенно ясно, что если нас интересуют такого рода заключения, то мы должны будем пользоваться установкой, в которой механизм затвора уже не может служить точными часами; в этой установке определение момента, в который дырка была открыта, содержит неточность, связанную с неточностью в измерении энергии общей формулой (4).

Рис. 10

Рассмотрение таких более или менее осуществимых установок и их более или менее фиктивного употребления оказалось чрезвычайно поучительным благодаря тому, что оно направило внимание на самые существенные черты рассматриваемых проблем. При этом главным пунктом является проведение различия между изучаемыми объектами и измерительными приборами, которые служат для того, чтобы можно было на языке классической физики фиксировать условия, в каких наблюдаются явления.

Упомянем здесь, что опыты, в которых предполагается измеримым перенос количества движения и энергии от атомных частиц к тяжелым телам вроде диафрагм и затворов, едва ли выполнимы практически. Однако это обстоятельство не умаляет их значения как иллюстрации тех общих положений, о которых шла речь выше. Решающим является здесь то, что в такого рода опытах тела, участвующие в обмене количеством движения и энергией с частицами, входят наряду с ними в состав системы, к которой следует применять формальный аппарат квантовой механики. Что касается спецификации условий, необходимых для однозначного применения этого формального аппарата, то здесь важно то, что эти условия должны характеризовать всю установку в целом. В самом деле, присоединение какой-либо новой части прибора, например зеркала, поставленного на пути частицы, вызвало бы новые интерференционные явления, каковые могут существенно повлиять на предсказания возможных результатов, которые в конце концов регистрируются.

Отказ от наглядного представления атомных явлений обусловлен невозможностью подразделить их и тем самым проследить их более детально. Масштабы этого отказа прекрасно иллюстрируются следующим примером, на который Эйнштейн обратил наше внимание с самого начала и к которому он часто возвращался. Пусть на пути фотона помещено полупрозрачное зеркало, предоставляющее ему для направления его дальнейшего распространения две возможности. Тогда фотон может быть зарегистрирован на одной и только на одной из двух фотографических пластинок, находящихся на большом расстоянии друг от друга на упомянутых направлениях; если же мы заменим пластинки зеркалами, то мы сможем наблюдать явления, показывающие, что обе отраженные волны интерферируют. При всякой попытке наглядно представить себе поведение фотона мы, стало быть, встретились бы со следующим затруднением: с одной стороны, мы должны были бы сказать, что фотон всегда выбирает один из двух путей, с другой стороны, он ведет себя так, как если бы он пошел по обоим путям сразу.

Такого рода аргументы как раз и напоминают о невозможности подразделять квантовые явления; они вскрывают также неоднозначность, присущую наделению атомных объектов обыкновенными физическими качествами. В особенности нужно себе уяснить следующее. Если не считать описания пространственного размещения частей прибора и их действия во времени, то всякое однозначное применение пространственно-временных представлений к описанию атомных явлений сводится к регистрации наблюдений, относящихся к следам на фотопластинке или к аналогичным практически необратимым усилительным эффектам, как, например, образование капельки воды вокруг иона в камере Вильсона. Правда, свойства материалов, из которых построены измерительные приборы и которые обеспечивают работу регистрирующих устройств, сами обусловлены в конечном счете существованием кванта действия. Но это обстоятельство не является существенным для проблемы адекватности и полноты квантово-механического описания в том ее аспекте, которым мы здесь занимались.

Эти проблемы подверглись всестороннему и поучительному обсуждению на Сольвейском конгрессе[12], на том же заседании, на котором Эйнштейн выдвинул свои общие возражения. По этому поводу возник также интересный спор о том, как следует говорить о появлении таких явлений, о которых можно дать предсказания лишь статистического характера. Спор вертелся вокруг вопроса, следует ли применять к осуществлению отдельного эффекта (из числа возможных) терминологию, предложенную Дираком, согласно которой мы имеем дело с выбором со стороны «природы», или же мы должны говорить, как это предложил Гейзенберг, о выборе со стороны «наблюдателя», построившего измерительные приборы и сделавшего отсчет результатов. Любая такая терминология представляется, однако, сомнительной; в самом деле, с одной стороны, едва ли допустимо приписывать природе волю в обычном смысле, а с другой стороны, наблюдатель никак не может повлиять на события, которые протекают при созданных им условиях. По моему мнению, у нас нет никакого другого выхода, как признать, что в этой области физики мы имеем дело с элементарными (неделимыми) явлениями и что все, что мы можем сделать при помощи различных измерительных приборов, сводится к выбору между различными дополнительными типами явлений, которые мы хотим исследовать.

Затронутые здесь проблемы теории познания разобраны подробнее в моей статье в юбилейном номере журнала «Naturwissenschaften», выпущенном по поводу 70-летия со дня рождения Планка в 1929 г. Эта статья содержит также сравнение между тем уроком, который был извлечен из открытия универсального кванта действия, и теми выводами из существования конечной скорости света, которые были сделаны Эйнштейном, чья новаторская работа так сильно прояснила основные принципы естествознания. Благодаря особому упору на зависимость всех явлений от системы отсчета теория относительности указала совершенно новые пути для установления общих физических законов в беспримерно широкой области. В теории квантов, говорилось в статье, логическое уяснение неизвестных ранее фундаментальных закономерностей, управляющих атомными процессами, приводит к признанию того, что нельзя провести резкое разграничение между независимым поведением объектов и их взаимодействием с измерительными приборами, определяющими систему отсчета.

В этом отношении квантовая механика ставит нас перед новой ситуацией в области физики. Я указал, однако, что во многих других областях человеческого знания и человеческой деятельности мы встречаемся в отношении анализа и синтеза опыта с ситуацией, которая представляет близкую аналогию с описанной выше. Как известно, многие из затруднений, встречающихся в психологии, возникают из-за того, что при анализе различных аспектов психической жизни граница между объектом и субъектом проводится в различных местах. В самом деле, такие слова, как «мысли» и «чувства», одинаково необходимые для описания объема и богатства сознательной жизни, употребляются в дополнительном смысле, подобно тому как в атомной физике употребляются пространственно-временная координация, с одной стороны, и динамические законы сохранения – с другой. Точная формулировка таких аналогий связана, конечно, с терминологическими трудностями, и точка зрения автора, пожалуй, всего яснее выражается в имеющемся в статье указании на взаимно исключающее соотношение, которое всегда существует между практическим применением слова и попыткой его точного определения. Рассуждения эти возникли отчасти в надежде повлиять на позицию Эйнштейна, но главная их цель состояла в том, чтобы обратить внимание на возможность рассмотрения общих проблем теории познания в свете того урока и тех знаний, которые дало нам изучение новых, но по существу простых физических закономерностей.

При следующей встрече с Эйнштейном на Сольвейской конференции 1930 г. наши дискуссии приняли совсем драматический характер. Мы видели, что если назначение измерительных приборов состоит в том, чтобы определять пространственно-временные рамки явлений, то контроль над обменом количеством движения и энергией между объектами и приборами исключается. В качестве возражения против этой точки зрения Эйнштейн выдвинул довод, что такой контроль якобы возможен, если принимать во внимание требования теории относительности. В частности, общая зависимость между энергией и массой, выраженная знаменитой формулой Эйнштейна

E = mc^2, (5)

якобы позволяет измерить полную энергию системы при помощи простого взвешивания и, таким образом, в принципе контролировать энергию, перенесенную на систему за время ее взаимодействия с атомным объектом.

В качестве подходящей для этого установки Эйнштейн предложил прибор, схема которого набросана на рис. 11.

Рис. 11

Рис. 12

Он состоит из ящика с отверстием в одной из стенок, причем отверстие можно открывать или закрывать затвором, приводимым в движение при помощи часового механизма, помещенного внутри ящика. Пусть вначале ящик содержит излучение, а часы отрегулированы так, что в определенный момент их механизм открывает затвор на очень короткое время. Таким устройством можно было бы достигнуть того, что в момент времени, который будет известен с любой желаемой точностью, через отверстие пройдет один-единственный фотон. Но, кроме того, взвешивая ящик до и после этого события, казалось бы, можно измерить энергию фотона с любой желаемой точностью – в прямом противоречии с квантово-механическим соотношением неопределенности для энергии и времени.

Это возражение означало серьезный вызов и заставило заново продумать всю проблему. Результатом дискуссии, выяснению которого деятельно содействовал и сам Эйнштейн, был, однако, тот вывод, что возражение несостоятельно. При ближайшем рассмотрении выяснилась необходимость тщательнее исследовать следствия, вытекающие из отождествления инертной и тяготеющей массы, предполагаемого в применениях уравнения (5). В частности, необходимо было принять во внимание зависимость между ходом часов и их положением в поле тяготения – зависимость, хорошо известную из красного смещения линий в спектре солнца и следующую из принципа Эйнштейна об эквивалентности действий силы тяжести и явлений, наблюдаемых в ускоренных системах отсчета.

Наша дискуссия сконцентрировалась на возможностях применения прибора, составной частью которого является установка, предложенная Эйнштейном. Такой прибор изображен на рис. 8 в том же псевдореалистическом стиле, как и некоторые из рисунков, приведенных раньше. Ящик, изображенный в разрезе, чтобы видно было его внутреннее устройство, подвешен на пружинных весах; положение ящика можно при помощи стрелки отсчитывать на шкале, укрепленной на подставке весов. Тогда взвешивание ящика можно произвести с любой заданной точностью ∆t, устанавливая весы в нулевом положении при помощи соответствующих гирь. Но дело в том, что всякое определение этого положения с заданной точностью ∆q влечет за собой неопределенность ∆р в значении количества движения ящика, причем ∆р связано с ∆q уравнением (3).

Эта неопределенность, очевидно, должна опять-таки быть меньше, чем полное количество движения, которое может быть передано полем тяготения телу с массой ∆t, в течение всего времени занятого процессом взвешивания; отсюда следует

где g есть ускорение силы тяжести. Чем точнее выполнен отсчет q по указателю, тем продолжительнее должно быть время взвешивания Т, если нужно получить заданную точность ∆m при взвешивании ящика с содержимым.

С другой стороны, по общей теории относительности часы, передвинутые в направлении силы тяготения на величину ∆q, изменят свой ход таким образом, что их показание на протяжении промежутка времени Т отклонится на величину ∆Т, заданную уравнением

Поэтому, сравнивая (6) и (7), мы видим, что после взвешивания наши знания показаний часов содержат неопределенность

Вместе с (5) эта формула приводит к соотношению

∆Т∆Т > h

в согласии с принципом неопределенности. Вследствие этого употребление прибора как средства для точного измерения энергии фотона помешает нам установить точный момент его вылета.

Эта дискуссия, так ярко показавшая силу и последовательность релятивистских аргументов, подчеркнула еще раз необходимость различать, при изучении атомных объектов, между собственно измерительными приборами, служащими для определения системы отсчета, и теми частями прибора, которые нужно рассматривать как объекты исследования и при описании коих нельзя пренебрегать квантовыми эффектами. Несмотря на столь убедительное подтверждение логичности и широты квантово-механического способа описания, Эйнштейн тем не менее выразил мне в последующем разговоре свое чувство неудовлетворенности тем, что, как ему кажется, нам недостает таких твердо установленных принципов для описания природы, с которыми все могли бы согласиться. Исходя из своей точки зрения, я мог только ответить, что, задавшись целью навести порядок в совершенно новой области знаний, мы едва ли можем полагаться на какие-либо старые принципы, хотя бы и очень общие. Единственным обязательным требованием является отсутствие логических противоречий, но как раз в этом отношении математический аппарат квантовой механики удовлетворяет самым жестким условиям.

Сольвейский конгресс 1930 г. был последним случаем, когда в наших дискуссиях с Эйнштейном мы могли воспользоваться присутствием Эренфеста, подзадоривавшего нас к спору и вместе с тем выступавшего в качестве посредника. Но незадолго до своей трагической смерти в 1933 г. он говорил мне, что Эйнштейн далеко не удовлетворен и что он со свойственной ему проницательностью подметил новые аспекты ситуации, укрепляющие его критическую позицию. Действительно, Эйнштейн, исследуя возможности применения взвешивающей установки, придумал другую процедуру, которая обостряла парадоксы настолько, что их логическое разрешение на первый взгляд не представлялось возможным (процедуру эту Эйнштейн придумал, впрочем, имея в виду другие применения, оказавшиеся невыполнимыми). Так, Эйнштейн указал на то, что после предварительного взвешивания ящика с часами и последующего вылета фотона всегда еще останется выбор: или повторить процесс взвешивания, или же открыть ящик и сравнить показания часов с лабораторной шкалой времени. Таким образом, на этой стадии опыта мы еще можем выбрать, хотим ли мы сделать заключение об энергии фотона или же о моменте времени, когда фотон покинул ящик. Не оказывая какого-либо влияния на фотон между его вылетом из ящика и его последующим взаимодействием с надлежащими измерительными приборами, мы можем сделать точные предсказания или о моменте его прибытия, или же о количестве энергии, освобожденной благодаря его поглощению. Но так как, согласно квантовой механике, задание состояния изолированной частицы не может содержать одновременно вполне определенное соответствие со шкалой времени и точное фиксирование энергии, то может показаться, что аппарат квантовой механики не дает средств для надлежащего описания действительности.

И на этот раз проницательный ум Эйнштейна выявил особый аспект того положения вещей, с каким мы встречаемся в квантовой теории, – аспект, ярко показывающий, насколько далеко мы отошли от привычных объяснений явлений природы. Тем не менее я не мог согласиться с тенденцией его замечаний, как они мне были переданы Эренфестом. По моему мнению, если мы имеем логически непротиворечивый математический аппарат физической теории, то единственный способ доказать его несостоятельность заключается в том, чтобы показать, что его следствия расходятся с опытом или что его предсказания не исчерпывают того, что может наблюдаться на опыте. Аргументация же Эйнштейна не приводит ни к тому, ни к другому. В самом деле, мы должны уяснить себе, что в рассматриваемой задаче мы имеем дело не с одной определенной экспериментальной установкой, но фактически с двумя взаимно исключающими друг друга установками.

В одной из них весы вместе с другими приборами, например спектрометром, служат для изучения переноса энергии фотоном; во второй установке затвор, регулированный по лабораторным часам, а также другие аналогичные приспособления, синхронизированные с этими часами, служат для того, чтобы измерять время, нужное фотону, чтобы пройти данный отрезок пути. В обоих случаях следует ожидать (как это принимал и Эйнштейн), что наблюдаемые эффекты будут вполне соответствовать предсказаниям теории.

Эта задача вновь подчеркивает необходимость рассматривать всю экспериментальную установку, точная спецификация которой существенна для возможности однозначного применения аппарата квантовой механики. Попутно можно к этому добавить, что парадоксы такого же рода, как рассмотренные Эйнштейном, возникают и в таких простых установках, как показанная на рис. 5. Ведь после предварительного измерения количества движения экрана нам еще предоставлен в принципе выбор, хотим ли мы после прохода электрона или фотона сквозь щель повторить измерение количества движения или же мы хотим определить положение экрана. В зависимости от того, что мы выберем, мы сможем делать предсказания относительно тех или иных последующих наблюдений. Заметим здесь еще, что для эффектов, которые можно наблюдать при помощи некоторой определенной экспериментальной установки, очевидно, будет безразлично, установлены ли планы построения приборов или манипулирования с ними заранее или же мы предпочитаем отложить окончательное составление этих планов до более позднего момента, когда частица уже будет на пути от одного прибора к другому.

В квантово-механическом описании наша свобода конструировать экспериментальную установку и манипулировать с нею находит свое надлежащее выражение в возможности выбирать классические параметры, вводимые в рассмотрение при всяком последовательном применении формального аппарата. Действительно, в этом отношении квантовая механика обнаруживает соответствие с положением вещей в классической физике, причем это соответствие настолько полно, насколько этого можно ожидать, если иметь в виду неделимость квантовых явлений. Выдвинутые Эйнштейном возражения и сомнения сыграли особенно полезную роль в выяснении именно этого обстоятельства, и тем самым они и на этот раз послужили желанным толчком к исследованию самого существа дела.

Следующий Сольвейский конгресс (1933 г.) был посвящен проблемам строения и свойств атомных ядер. В этой области как раз в то время были достигнуты большие успехи как благодаря экспериментальным открытиям, так и благодаря новым плодотворным применениям квантовой механики. В связи с этим едва ли нужно напоминать, что новые данные, полученные благодаря изучению искусственного превращения ядер, дали самое прямое подтверждение фундаментальному закону Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии; этому закону суждено было оказаться все более и более важным руководящим началом в ядерных исследованиях. Упомянем здесь также, что интуитивная догадка Эйнштейна о тесной зависимости между законом радиоактивных превращений и вероятностными правилами, которым подчинены индивидуальные излучательные эффекты, была подтверждена квантово-механическим объяснением спонтанного распада ядра. Действительно, мы имеем здесь типичный пример статистического способа описания, и дополнительное отношение между сохранением энергии и количества движения, с одной стороны, и локализацией во времени и в пространстве – с другой, резко выступает наружу в известном парадоксе о проникновении частицы сквозь потенциальные барьеры.

Сам Эйнштейн не присутствовал на этом конгрессе, который происходил в эпоху, омраченную трагическим развитием событий в политическом мире; этим событиям суждено было так сильно повлиять и на личную судьбу Эйнштейна и сделать ношу, взятую им на себя на службе человечеству, еще тяжелее. За несколько месяцев перед тем я все же встретил Эйнштейна; это было при моем посещении Принстона, где он тогда был гостем в только что основанном Институте усовершенствования (Institute for Advanced Study), постоянным членом которого он вскоре стал. При этом посещении я имел случай еще раз поговорить с ним о вопросах атомной физики, примыкающих к теории познания, но различия в нашем подходе и в нашем способе выражения мыслей все еще препятствовали взаимному пониманию. До сих пор в описанных здесь дискуссиях принимали участие сравнительно немногие; но вскоре критическая позиция Эйнштейна (к которой присоединился ряд других физиков), занятая им по отношению к воззрениям, принятым в квантовой механике, стала известна более широким кругам благодаря статье, опубликованной в 1935 г. Эйнштейном, Подольским и Розеном под заглавием «Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?».

Аргументация этой работы зиждется на критерии, который авторы формулируют следующим образом: «Если мы можем, без какого бы то ни было возмущения системы, предсказать с достоверностью (т. е. с вероятностью, равной единице) значение некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине». Авторы применяют даваемое аппаратом квантовой механики представление состояния системы к тому случаю, когда система состоит из двух частей, взаимодействовавших в течение короткого промежутка времени. Путем изящного анализа следствий, вытекающих из такого предположения, авторы показывают следующее. Существуют такие величины, что их значения не могут быть одновременно фиксированы в представлении одной из подсистем, но тем не менее могут быть предсказаны после измерения над другой подсистемой. На основании своего критерия авторы приходят тогда к заключению, что «квантовая механика не дает полного описания физической реальности», и выражают свое убеждение в том, что должно быть возможным более соответствующее действительности описание явлений. Благодаря своей ясности и, казалось бы, безупречной аргументации работа Эйнштейна, Подольского и Розена вызвала волнение среди физиков и сыграла большую роль в дискуссии об общефилософских вопросах физики. Несомненно, спор идет об очень тонких вопросах, и он очень подходит для того, чтобы обратить внимание, насколько в квантовой механике мы стоим далеко за пределами применимости наглядных картин. Однако можно убедиться, что мы имеем здесь дело с проблемами точно такого же рода, какие выдвигал Эйнштейн на прежних дискуссиях. В статье, опубликованной несколько месяцев спустя, я попытался показать, что с точки зрения дополнительности кажущиеся противоречия совершенно устраняются. Ход рассуждений был в основном тот же, как и на предыдущих страницах; но стремление напомнить тогдашние споры пусть послужит извинением тому, что я приведу здесь некоторые отрывки из моей статьи.

После изложения выводов, к которым пришли Эйнштейн, Подольский и Розен на основании своего критерия, я писал:

«Однако такого рода аргументация едва ли годится для того, чтобы подорвать надежность квантово-механического описания, основанного на стройной математической теории, которая автоматически охватывает все случаи измерения, подобные указанному. Кажущееся противоречие на самом деле вскрывает только существенную непригодность обычной точки зрения натуральной философии для описания физических явлений того типа, с которым мы имеем дело в квантовой механике. В самом деле, конечность взаимодействия между объектом и измерительным прибором, обусловленная самим существованием кванта действия, влечет за собой – вследствие невозможности контролировать обратное действие объекта на измерительный прибор (а эта невозможность будет непременно иметь место, если только прибор удовлетворяет своему назначению) – необходимость окончательного отказа от классического идеала причинности и радикальный пересмотр наших взглядов на проблему физической реальности. Как мы увидим ниже, всякий критерий реальности, подобный предложенному упомянутыми авторами, будет – какой бы осторожной ни казалась его формулировка – содержать существенную неоднозначность, если мы станем его применять к действительным проблемам, которые нас здесь интересуют».

По отношению к частной проблеме, рассмотренной Эйнштейном, Подольским и Розеном, я показал затем, что, применяя аппарат квантовой механики к представлению состояния системы из двух взаимодействующих друг с другом атомных объектов, мы приходим к выводам, которые вполне соответствуют тем простым аргументам, какие были приведены выше в связи с дискуссией об экспериментальных установках, пригодных для изучения дополнительных явлений. Известно, что всякая пара q и p канонически сопряженных переменных (координат и импульсов) подчинена правилу некоммутативного умножения, выраженному формулой (2), так что переменные этой пары могут быть фиксированы лишь со взаимной неопределенностью, даваемой формулой (3). Тем не менее разность q_1 − q_2между пространственными координатами двух составных частей системы будет коммутировать с суммой p_1 + p_2соответствующих компонент количества движения; это прямо следует из коммутативности q_1с р_2и q_2с p_2. Поэтому в сложной системе можно точно фиксировать как q_1 − q_2, так и р_1 + р_2, и, следовательно, для такого состояния системы можно предсказывать значения q_1или р_1, если q_2или соответственно р_2 определены прямыми измерениями.

Рассуждения нашей статьи резюмированы в следующем ее отрывке:

«С нашей точки зрения, мы видим теперь, что формулировка вышеупомянутого критерия физической реальности, предложенного Эйнштейном, Подольским и Розеном, содержит двусмысленность в выражении „без какого бы то ни было возмущения системы“. Разумеется, в случае, подобном только что рассмотренному, нет речи а том, чтобы в течение последнего критического этапа процесса измерения изучаемая система подвергалась какому-либо механическому возмущению. Но и на этом этапе речь идет, по существу, о возмущении в смысле влияния на самые условия, определяющие возможные типы предсказаний будущего поведения системы. Так как эти условия составляют существенный элемент описания всякого явления, к которому можно применять термин „физическая реальность“, то мы видим, что аргументация упомянутых авторов не оправдывает их заключения о том, что квантово-механическое описание существенно неполно. Напротив того, как вытекает из наших предыдущих рассуждений, описание может быть охарактеризовано как разумное использование всех возможностей однозначного толкования измерений, совместимого с характерным для квантовых явлений конечным и не поддающимся учету взаимодействием между объектом и измерительными приборами. В самом деле, только взаимное исключение всяких двух экспериментальных манипуляций, которые позволили бы дать однозначное определение двух взаимно дополнительных физических величин, – только это взаимное исключение и освобождает место для новых физических законов, совместное существование которых могло бы, на первый взгляд, показаться противоречащим основным принципам построения науки. Именно эту совершенно новую ситуацию в отношении описания физических явлений мы и пытались характеризовать термином „дополнительность“».

Перечитывая теперь эти строки, я глубоко сознаю неудовлетворительность и неуклюжесть выражения моих мыслей и чувствую, что эти недостатки изложения должны были сильно затруднить понимание хода моих рассуждений. Моя аргументация имела целью выявить неоднозначность, присущую всякой попытке приписать определенные физические атрибуты объектам в тех случаях, когда имеем дело с явлениями, не допускающими резкого разграничения между поведением объектов самих по себе и их взаимодействием с измерительными приборами. Я надеюсь, однако, что настоящее изложение имевших место в прошлом дискуссий с Эйнштейном, столь сильно способствовавших нашему ознакомлению с положением вещей в атомной физике, сможет дать более ясное представление о том, насколько необходим, в целях восстановления логического порядка в этой области знаний, радикальный пересмотр основных принципов объяснения физических явлений.

Тогдашние воззрения самого Эйнштейна изложены им в статье «Физика и реальность», появившейся в 1936 г. в журнале Франклиновского института. Эйнштейн начинает с чрезвычайно ясного изложения постепенного развития фундаментальных принципов в теориях классической физики и их отношения к проблеме физической реальности. Эйнштейн стоит здесь на той точке зрения, что аппарат квантовой механики должен рассматриваться лишь как средство для описания среднего поведения большого числа атомных систем. Свое отношение к убеждению, согласно которому этот аппарат дает возможность исчерпывающего описания элементарных (индивидуальных) явлений, Эйнштейн выражает в следующих словах: «Такое убеждение, без сомнения, логически возможно и не приводит к противоречиям; однако оно так противно моему научному чутью, что я не могу отказаться от поисков более совершенной системы понятий».

Но, даже если не считать такую точку зрения экстравагантной, нужно все же помнить, что она означает отрицание всей изложенной выше аргументации, целью которой было показать, что в квантовой механике мы имеем дело не с произвольным отказом от детального анализа атомных явлений, но с признанием того, что такой анализ принципиально исключается. Свойственная квантовым эффектам неделимость ставит нас в отношении понимания результатов опыта, проведенного в точно определенных условиях, перед новой ситуацией, не предусмотренной классической физикой и не совместимой с обычными представлениями, приспособленными для того, чтобы разбираться в опытах обычного типа. Именно в этом отношении пришлось пересмотреть в результате развития квантовой теории основания для применения простейших понятий, и этот пересмотр составил дальнейший шаг в том развитии теории, которое началось с создания теории относительности и которое так характерно для современной науки.

В последующие годы теми сторонами ситуации в атомной физике, которые примыкают к философским вопросам, начали интересоваться все более широкие круги; философские вопросы дискутировались, в частности, на Втором международном конгрессе единства науки в июле 1936 г. в Копенгагене. В докладе, сделанном мною по этому поводу, я пытался прежде всего подчеркнуть аналогию в теоретико-познавательном отношении между ограничениями, налагаемыми на причинный способ описания в атомной физике, и тем положением, с которым мы встречаемся в других областях. Одной из главных целей таких сравнений было привлечь внимание к тому, что во многих областях знания, представляющих общий интерес, возникают те же по существу проблемы, как и в квантовой механике; тем самым я стремился связать с более привычными понятиями тот на первый взгляд странный способ выражения, какой физики вынуждены были разработать, чтобы справиться со своими трудностями.

Наряду с психологией, где ярко проявляются свойства дополнительности, о чем я уже говорил, примеры таких соотношений можно найти и в биологии, в частности при сравнении между механистическим и виталистическим воззрениями. Последний вопрос и его связь с проблемой наблюдения были несколько лет тому назад предметом речи, произнесенной мною на Втором международном конгрессе по светотерапии в 1932 г. в Копенгагене. В этой речи, между прочим, было указано, что даже психофизический параллелизм в форме, данной Лейбницем и Спинозой, раздвинул свои рамки благодаря развитию атомной физики, которая вынуждает нас в проблеме явлений занять позицию, напоминающую мудрый завет древних: в поисках гармонии в жизни никогда не забывать, что в драме бытия мы являемся одновременно и актерами и зрителями.

Высказывания такого рода могли, конечно, вызвать у многих впечатление некоего мистицизма, чуждого духу науки; поэтому я попытался в 1936 г. на упомянутом выше съезде устранить такого рода недоразумения и разъяснить, что речь идет единственно о том, чтобы попытаться выяснить для каждой области знаний условия для анализа и синтеза данных, получаемых из опыта. И все-таки я боюсь, что в этом отношении мне не слишком посчастливилось и едва ли удалось убедить моих слушателей: ведь для них тот факт, что расхождение во мнениях наблюдается даже среди физиков, уже сам по себе естественно заставляет сомневаться в необходимости столь далеко идущего отказа от привычных требований, предъявляемых к объяснению явлений природы. И, в частности, во время дискуссии с Эйнштейном, возобновившейся в Принстоне в 1937 г. (которая, впрочем, свелась к полушутливому спору о том, чью сторону принял бы Спиноза, если бы он переживал вместе с нами современное развитие физики), я особенно почувствовал необходимость крайней осторожности во всех вопросах терминологии и диалектики.

Эти аспекты положения дел подробно обсуждались на съезде, организованном в 1938 г. в Варшаве Международным институтом интеллектуального сотрудничества при Лиге Наций[13]. Предыдущие годы принесли большие успехи в области квантовой физики благодаря ряду фундаментальных открытий, относящихся к строению и свойствам атомных ядер, а также благодаря значительному развитию математического формального аппарата в направлении учета требований теории относительности. В этом отношении гениальная квантовая теория электрона, созданная Дираком, дала поразительный пример силы и плодотворности общего квантово-механического способа описания. В самом деле, в явлениях рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар мы имеем дело с новыми фундаментальными чертами атомной природы материи, которые тесно связаны с неклассическими сторонами квантовой статистики, нашедшими свое выражение в принципе Паули; эти новые черты потребовали еще большего отказа от объяснения явлений на основе наглядных модельных представлений.

Тем временем дискуссия о проблемах теории познания в атомной физике привлекала к себе внимание больше, чем когда-либо, и при комментировании взглядов Эйнштейна относительно неполноты квантово-механического способа описания мне пришлось более подробно и непосредственно затронуть вопросы терминологии. При этом я особенно предостерегал против часто встречающихся в физической литературе оборотов вроде: «возмущение явлений наблюдением» или «придание атомным объектам физических атрибутов при помощи измерений». Такие выражения, правда, могли бы служить напоминанием о кажущихся парадоксах квантовой теории, но в то же время они способны создать путаницу, потому что слова «явления» и «наблюдения» так же, как слова «атрибуты» и «измерения», употребляются здесь в таком смысле, который едва ли совместим с разговорным языком и с практическим их определением.

В качестве более целесообразного способа выражения я советовал употреблять слово «явление» исключительно в связи с наблюдениями, произведенными в точно определенных условиях, включающих указания о всем опыте в целом. При такой терминологии проблема наблюдения освобождается от всякой неоднозначности, потому что ведь в действительных экспериментах все наблюдения выражаются в виде совершенно однозначных утверждений того же типа, как, например, регистрация точки попадания электрона на фотографическую пластинку. Кроме того, такой способ выражения особенно хорошо подчеркивает то обстоятельство, что правильное физическое толкование символического аппарата квантовой механики может дать только предсказания однозначного или статистического характера, относящиеся к неделимым явлениям, возникающим в классически определяемых физических условиях.

Несмотря на все различия между физическими проблемами, породившими теорию относительности и теорию квантов, если сравнивать релятивистский и дополнительный способы описания в их чисто логическом аспекте, то бросается в глаза замечательное сходство в отношении отказа от придания абсолютного смысла обычным физическим атрибутам объектов. Также и пренебрежение атомной структурой самих измерительных приборов при описании реальных опытов одинаково характерно для теории относительности и для теории квантов. Малость кванта действия по сравнению с действиями, с которыми мы имеем дело в обычных опытах, включая установку и обслуживание физических приборов, столь же важна в атомной физике, как чудовищное число атомов, составляющих вселенную, важно для общей теории относительности, требующей, как известно, чтобы размеры угломерных приборов были малы по сравнению с радиусом кривизны пространства.

В моем варшавском докладе я следующим образом комментировал употребление в теории относительности и теории квантов математического аппарата, лишенного непосредственной наглядности;

«Даже математические аппараты обеих теорий, дающие, каждый в соответствующих рамках, надлежащие средства для охвата всего мыслимого опыта, обнаруживают глубокое сходство. Поразительная простота обобщения классических физических теорий, получаемого в одном случае при помощи многомерной геометрии и в другом случае при помощи некоммутативной алгебры, по существу основана в обоих случаях на введении условного символа. Абстрактный характер рассматриваемых формальных аппаратов одинаково типичен для теории относительности и для квантовой механики: в этом отношении это вопрос традиции, считать ли первую теорию завершением классической физики или же первым решительным шагом в глубоко идущем пересмотре системы наших понятий как средства для сопоставления наблюдений – шагом, к которому нас вынуждает современное развитие физики».

Конечно, верно то, что в атомной физике мы стоим перед рядом нерешенных фундаментальных проблем, в частности перед вопросом о зависимости между элементарной единицей электрического заряда и универсальным квантом действия. Однако эти проблемы связаны с рассмотренными здесь вопросами теории познания не теснее, чем законность релятивистского способа описания связана с еще не решенными задачами космологии. Как в теории относительности, так и в теории квантов мы имеем дело с новыми аспектами научного анализа и синтеза; в связи с этим стоит отметить, что даже во времена великой эпохи критической философии прошлого столетия дело шло только о том, в какой мере возможно априорное обоснование для координации нашего опыта в пространстве и во времени и для его причинной взаимосвязи, но никогда не возникал вопрос о рациональных обобщениях таких категорий человеческого мышления или о присущих им ограничениях.

Хотя за последние годы я несколько раз имел случай встретиться с Эйнштейном, но дальнейшие разговоры (которые всегда давали мне новую зарядку) до сих пор еще не привели нас к общей точке зрения на проблемы теории познания в атомной физике. Наши противоположные взгляды, может быть, наиболее четко выражены в одном из последних выпусков журнала «Диалектика», содержащем общую дискуссию по этим проблемам. Но так как я отдаю себе отчет во многих препятствиях, стоящих на пути взаимопонимания по вопросу, в котором позиция каждого сильно зависит от подхода и от других условий, то я приветствовал настоящий повод для подробного обзора того развития, которое, как мне кажется, привело к преодолению серьезного кризиса в физической науке. Урок, который мы из этого извлекли, решительно продвинул нас по пути никогда не кончающейся борьбы за гармонию между содержанием и формой; урок этот показал нам еще раз, что никакое содержание нельзя уловить без привлечения соответствующей формы и что всякая форма, как бы ни была она полезна в прошлом, может оказаться слишком узкой для того, чтобы охватить новые результаты.

В таком положении, как описанное, когда оказалось, что взаимопонимания трудно достигнуть не только между философами и физиками, но даже и между физиками различных школ, корень затруднений, несомненно, может иногда лежать в предпочтении определенной терминологии, соответствующей тому или иному подходу. В Копенгагенском институте, куда в те годы съезжался для дискуссий целый ряд молодых физиков из разных стран, мы имели обыкновение в трудных случаях утешаться шутками, среди которых особенно любимой была старая пословица о двух родах истины. К одному роду истин относятся такие простые и ясные утверждения, что противоположные им, очевидно, неверны. Другой род, так называемые «глубокие истины», представляют, наоборот, такие утверждения, что противоположные им тоже содержат глубокую истину. Развитие в новой области обычно идет этапами, причем хаос постепенно превращается в порядок; но, пожалуй, как раз на промежуточном этапе, где преобладают «глубокие истины», работа особенно полна напряженного интереса и побуждает фантазию к поискам твердой опоры. В этом стремлении к равновесию между серьезным и веселым мы имеем в личности Эйнштейна блестящий образец; и, выражая свое убеждение в том, что благодаря особенно плодотворному сотрудничеству целого поколения физиков мы приближаемся к той цели, где логический порядок позволит нам в большей мере избегать «глубоких истин», я надеюсь, что это убеждение будет воспринято в эйнштейновском духе и в то же время послужит извинением за отдельные высказанные на предыдущих страницах критические суждения.

Споры с Эйнштейном, составляющие предмет этой статьи, растянулись на много лет, в течение которых были достигнуты большие успехи в области атомной физики. Все наши личные встречи, долгие или короткие, неизменно производили на меня глубокое и длительное впечатление; и пока я писал этот очерк, я как бы спорил с Эйнштейном все время, даже и тогда, когда я разбирал вопросы, казалось бы, далекие от тех именно проблем, которые обсуждались при наших встречах. Что касается передачи разговоров, то здесь я, конечно, полагаюсь только на свою память; я должен также считаться с возможностью того, что многие черты развития теории квантов, в котором Эйнштейн сыграл такую большую роль, ему самому представляются в другом свете. Но я твердо надеюсь, что мне удалось дать ясное представление о том, как много для меня значила возможность личного контакта с Эйнштейном, вдохновляющее влияние которого чувствовалось всеми, кто с ним встречался.

1949

Единство знаний

Прежде чем пытаться ответить на вопрос, в какой мере допустимо говорить об единстве знаний, мы позволим себе спросить, что значит самое слово «знание». Я не собираюсь вступать в академические философские рассуждения, для которых у меня едва ли имеется достаточно специальной философской эрудиции. Однако каждый естествоиспытатель постоянно сталкивается с проблемой объективного описания опыта; под этим мы подразумеваем однозначный отчет или словесное сообщение. Нашим основным орудием является, конечно, обычный язык, который удовлетворяет нуждам обыденной жизни и общественных отношений. Мы не будем заниматься здесь происхождением такого языка; нас интересуют его возможности в научных сообщениях и в особенности проблема сохранения объективности при описании опыта, вырастающего за пределы событий повседневной жизни.

Главное, что нужно себе ясно представить, это то, что всякое новое знание является нам в оболочке старых понятий, приспособленной для объяснения прежнего опыта, и что всякая такая оболочка может оказаться слишком узкой для того, чтобы включить в себя новый опыт. В самом деле, во многих областях знания научные исследования время от времени приводили к необходимости отбросить или заново сформировать точки зрения, которые ранее считались обязательными для всякого разумного объяснения в силу своей плодотворности и кажущейся неограниченной применимости. Хотя толчок к такого рода пересмотрам дают специальные исследования, каждый такой пересмотр содержит вывод общего характера, важный для проблемы единства знаний. Действительно, расширение системы понятий не только восстанавливает порядок внутри соответствующей области знаний, но еще и раскрывает аналогии в других областях. Наше положение в отношении анализа и синтеза опыта в разных, казалось бы, даже не связанных, областях знания может оказаться сходным, а это открывает возможности для еще более охватывающего объективного описания.

Когда мы говорим о системе понятий, мы имеем в виду просто-напросто однозначное логическое отображение соотношения между опытными данными. Это понятно также и в свете исторического развития, в ходе которого перестали резко отличать логику от семантических исследований и даже от филологического синтаксиса. Математика, так решительно содействовавшая развитию логического мышления, играет особую роль; своими четко определенными абстракциями она оказывает неоценимую помощь при выражении стройных логических зависимостей. Тем не менее в нашем обсуждении мы не будем рассматривать чистую математику как отдельную отрасль знания; мы будем считать ее скорее усовершенствованием общего языка, оснащающим его удобными средствами для отображения таких зависимостей, для которых обычное словесное выражение оказалось бы неточным или слишком сложным. В связи с этим можно подчеркнуть, что необходимая для объективного описания однозначность определений достигается при употреблении математических символов именно благодаря тому, что таким способом избегаются ссылки на сознательный субъект, которыми пронизан повседневный язык.

Развитию так называемых точных наук, характеризуемых установлением численных соотношений между результатами измерений, сильно способствовали абстрактные математические методы, возникшие на почве независимой разработки обобщающих логических построений. Это положение особенно хорошо поясняется в физике; первоначально под физикой понимали вообще все знания о той природе, частью которой мы сами являемся; но постепенно физика стала означать изучение элементарных законов, управляющих свойствами неживой материи. Необходимость всегда, даже в пределах этой сравнительно простой темы, обращать внимание на проблему объективного описания глубоко влияла на взгляды философских школ на протяжении многих веков. В наши дни исследование новых областей, открывшихся перед экспериментом, обнаружило, что для однозначного применения некоторых самых элементарных понятий требуются предпосылки, о которых раньше и не подозревали. Тем самым мы получили урок и по линии теории познания, причем урок этот касается и тех проблем, которые лежат далеко за пределами физики. Поэтому представляется целесообразным начать наше обсуждение с краткого обзора этого развития.

Нас завело бы слишком далеко, если бы мы стали вспоминать во всех подробностях, как была построена механика; как, с преодолением мифических космологических идей и аргументов, ссылающихся на цель наших собственных действий, возникла на основе, заложенной новаторскими работами Галилея, стройная система механики, достигшая такого совершенства благодаря мастерству и гению Ньютона. Прежде всего, принципы механики Ньютона внесли значительную ясность в проблему причины и следствия; это было достигнуто благодаря тому, что они позволяли по состоянию физической системы в данный момент, определяемому через измеримые величины, предсказать ее состояние в любое последующее время. Хорошо известно, как такого рода детерминистическое или каузальное описание привело к механистическому пониманию природы; такой тип описания сделался идеалом научного объяснения во всех областях знания, вне зависимости от того, каким путем эти знания получены. Поэтому особенно важно отметить, что изучение более широкой области физического опыта выявило необходимость более пристального рассмотрения проблемы наблюдения.

В пределах своей обширной области применения классическая механика дает объективное описание, в том смысле, что оно основано на четко определенном употреблении представлений и идей, приспособленных к событиям повседневной жизни. Однако какими бы разумными ни казались идеализации, которыми пользуется ньютонова механика, они фактически зашли далеко за пределы опыта, к которому приспособлены наши элементарные понятия. Так, адекватное употребление понятий абсолютных пространства и времени теснейшим образом связано с практически мгновенным распространением света, позволяющим нам локализовать тела вокруг нас независимо от их скорости и располагать события в единую временную последовательность. Однако попытка составить логически стройное описание оптических и электромагнитных явлений обнаружила, что наблюдатели, движущиеся относительно друг друга с большими скоростями, будут координировать события неодинаково. Такие наблюдатели будут судить различно о форме и о положении твердых тел, и, кроме того, события в разных точках пространства, которые одному наблюдателю кажутся одновременными, другому могут показаться происходящими в разное время.

Исследование того, в какой мере описание физических явлений зависит от точки зрения наблюдателя, не только не внесло никакой путаницы или усложнения, но, наоборот, оказалось неоценимой путеводной нитью при разыскании основных физических законов, общих для всех наблюдателей. Сохраняя идею детерминизма, но основываясь исключительно на зависимости между однозначными измерениями, которые сводятся в конечном счете к совпадению между событиями, Эйнштейн сумел перестроить и обобщить все здание классической физики и тем самым придать нашей картине мира единство, превосходящее все, что можно было ожидать. В общей теории относительности описание основано, с одной стороны, на криволинейной четырехмерной метрике пространства – времени, которая автоматически учитывает гравитационные эффекты, и, с другой стороны, на исключительной роли скорости световых сигналов, которая представляет верхний предел в любом непротиворечивом приложении физического понятия скорости. Введение таких хотя и непривычных, но четко определенных математических абстракций ни в коем случае не вносит какой-либо неоднозначности; напротив, это есть поучительный пример того, как расширение системы понятий дает надлежащие средства для устранения субъективных элементов и для расширения объективного описания.

Новые, неожиданные стороны проблемы наблюдения были открыты в связи с исследованиями атомного строения материи. Как хорошо известно, идея о том, что делимость вещества не беспредельна, восходит к древности; ее ввели, чтобы согласовать постоянство характерных свойств веществ с разнообразием явлений природы. Однако почти до наших дней такие взгляды считались по существу гипотетическими, в том смысле, что прямая проверка их наблюдением представлялась невозможной из-за грубости наших органов чувств и наших приборов, которые сами состоят из бесчисленных атомов. Но в связи с большим прогрессом в физике и химии, достигнутым за последние столетия, плодотворность атомных идей становилась все более несомненной. В частности, непосредственное применение классической механики к взаимодействию между атомами и молекулами, происходящему во время их беспрерывного движения, привело к общему пониманию принципов термодинамики.

В текущем столетии изучение вновь открытых свойств материи, таких как естественная радиоактивность, убедительно подтвердило основы атомной теории. В частности, благодаря развитию усилительных устройств стало возможным изучать явления, существенно зависящие от отдельных атомов, и даже удалось получить обширные сведения о структуре атомных систем. Первым шагом было признание того, что электрон является общей составной частью всех веществ; дальнейшим шагом, существенно дополнившим наши представления о строении атома, было открытие Резерфордом атомного ядра, где в чрезвычайно малом объеме сосредоточена почти вся масса атома. Неизменяемость свойств элементов при обычных физических и химических процессах непосредственно объясняется тем, что в таких процессах, хотя связи электронов и могут сильно меняться, ядро остается без изменений. Резерфордом была доказана также и взаимная превращаемость атомных ядер под действием более мощных сил. Тем самым Резерфорд открыл совершенно новую область исследований, которую часто называют современной алхимией. Как хорошо известно, эти исследования должны были в конечном счете привести к возможности освобождать огромные количества энергии, запасенные в атомных ядрах.

Хотя ряд фундаментальных свойств материи и объяснялся на основе простой картины атома, но с самого начала было ясно, что классические идеи механики и электромагнетизма недостаточны для объяснения существенной устойчивости атомных структур, которая проявляется в том, что элементы имеют характерные для них свойства. Ключ к выяснению этой проблемы дало открытие Планком в первый год нашего столетия универсального кванта действия. К этому открытию Планка привел его проницательный анализ законов теплового излучения. Открытие Планка выявило присущее атомным процессам свойство цельности, совершенно чуждое механистическому пониманию природы. Стало ясно, что классические физические теории – это идеализации, пригодные только для описания таких явлений, в анализе коих все величины размерности действия достаточно велики, чтобы можно было пренебречь квантом действия. Это условие выполняется с избытком в явлениях обычного масштаба, в атомных же явлениях мы встречаемся с закономерностями совсем нового вида, не поддающимися детерминистическому наглядному описанию.

Рациональное обобщение классической физики, которое учитывало бы существование кванта, но по-прежнему позволяло бы однозначное толкование опытных фактов, допускающих определение инертной массы и электрического заряда электрона и ядра, представляло очень трудную задачу. Соединенными усилиями целого поколения физиков-теоретиков было тем не менее постепенно создано стройное и – в широких пределах – исчерпывающее описание атомных явлений. Это описание использует математический аппарат, в который вместо переменных величин классических физических теорий входят символы, подчиненные некоммутативным правилам умножения, содержащим постоянную Планка. Благодаря самому характеру таких математических абстракций этот формальный аппарат не допускает привычного наглядного толкования; он предназначен для того, чтобы установить зависимости между наблюдениями, полученными при четко определенных условиях. Зависимости эти имеют существенно статистический характер, в соответствии с тем, что в данной экспериментальной установке могут иметь место различные индивидуальные квантовые процессы.

При помощи аппарата квантовой механики достигнута подробная систематизация огромного количества экспериментальных данных о физических и химических свойствах материи. Сверх того, приспособив формальный аппарат к требованиям теории относительности, оказалось возможным упорядочить в широких пределах быстро накапливающиеся новые сведения о свойствах элементарных частиц и о строении атомных ядер. Несмотря на поразительную плодотворность квантовой механики, радикальный отход от привычных физических способов описания, и в особенности отказ от самой идеи детерминизма, вызвал сомнения в умах многих физиков и философов. Возник вопрос, имеем ли мы здесь дело с временным выходом из положения или же новый метод объективного описания представляет окончательный шаг, уже необратимый. Разъяснение этой проблемы действительно потребовало радикального пересмотра самых основ описания и толкования физического опыта.

В связи с этим мы должны прежде всего признать, что, даже если явления выходят за пределы применимости классической физики, все же характеристика экспериментальной установки и запись произведенных наблюдений должны даваться на обычном языке, надлежащим образом дополненном специальной физической терминологией. Это есть ясное и логическое требование, поскольку самое слово «эксперимент» относится к такой ситуации, когда мы можем сказать другим, что мы делали и что узнали. Фундаментальное отличие анализа явлений в классической и в квантовой физике состоит, однако, в том, что в первом случае взаимодействием между объектами и измерительными приборами можно пренебречь (или же его можно компенсировать), тогда как во втором случае это взаимодействие составляет существенную часть явления. Присущая собственно квантовому явлению цельность находит свое логическое выражение в том обстоятельстве, что всякая попытка четко подразделить явление потребовала бы изменения в экспериментальной установке, несовместимого с возникновением самого явления.

В частности, невозможность отдельного контроля над взаимодействием между атомными объектами и приборами, необходимыми для фиксирования условий опыта, не допускает неограниченного сочетания локализации в пространстве-времени с применением динамических законов сохранения – сочетания, на котором основано детерминистическое описание классической физики. В самом деле, всякое однозначное применение понятий пространства и времени предполагает такую экспериментальную установку, в которой происходит принципиально не поддающийся контролю перенос количества движения и энергии к неподвижным шкалам и синхронизованным часам, нужным для определения системы отсчета. И наоборот, отчет о явлениях, которые характеризуются законами сохранения количества движения и энергии, предполагает принципиальный отказ от детальной локализации в пространстве и времени. Эти обстоятельства находят количественное выражение в соотношениях неопределенности Гейзенберга, которые устанавливают связь между допусками в значениях кинематических и динамических переменных, фиксирующих состояние физической системы. По самому характеру формального аппарата квантовой механики такие соотношения не могут быть, однако, истолкованы как «модельные» свойства объектов, т. е. свойства, опирающиеся на классические наглядные представления. Мы имеем здесь дело со взаимно исключающими друг друга условиями однозначного применения самых понятий пространства и времени, с одной стороны, и динамических законов сохранения – с другой.

В связи с этим иногда говорят: «Наблюдение нарушает ход явления» или «Физические свойства атомных объектов создаются их измерением». Однако такие высказывания способны лишь внести путаницу, так как слова «явления» и «наблюдения», равно как и слова «свойства» и «измерения», употребляются здесь в смысле, несовместном с обычным языком и с практическим их определением. Действительно, с позиций объективного описания лучше употреблять слово «явление», только если речь идет о наблюдениях, полученных при определенных условиях, т. е. таких, в описание которых входят данные обо всей экспериментальной установке. При такой терминологии проблема наблюдения в квантовой физике освобождается от всякой запутанности. Кроме того, эта терминология напоминает нам о том, что всякое атомное явление цельно и законченно. Это значит, что наблюдение такого явления основано на регистрации его при помощи усилительных устройств, действующих необратимо; таковы, например, наблюдения, в которых используются неисчезающие пятна на фотопластинке, вызванные проникновением электронов в эмульсию. Здесь важно уяснить себе, что формальный аппарат квантовой механики допускает однозначное применение только к такого рода завершенным явлениям. И в этом отношении он является рациональным обобщением классической физики, в которой не только завершенное явление, но и каждый этап хода событий описывается измеримыми величинами.

Свобода экспериментирования, сама собой разумевшаяся в классической физике, конечно, сохраняется и в квантовой физике; она соответствует здесь свободному выбору экспериментальной установки, что предусмотрено и математической структурой применяемого в квантовой физике формального аппарата. То обстоятельство, что в общем случае одна и та же экспериментальная установка может дать разные отсчеты, иногда картинно описывают как «выбор природы» между такими возможностями. Само собой разумеется, что такая фраза не содержит намека на одухотворение природы, а просто указывает на невозможность обеспечить (как это считалось возможным раньше) желаемое направление законченного неделимого процесса. Здесь логический подход не может пойти дальше вывода относительных вероятностей для появления того или иного индивидуального явления при данных экспериментальных условиях. В этом отношении квантовая механика представляет собой последовательное обобщение детерминистического механического описания; последнее содержится в ней как асимптотический предел для случая, когда масштаб физических явлений достаточно велик, чтобы можно было пренебречь квантом действия.

Чрезвычайно характерную черту атомной физики представляет новое соотношение между явлениями, наблюдаемыми при разных экспериментальных условиях, для описания которых приходится применять разные элементарные понятия. В самом деле, какими бы противоречивыми ни казались, при попытке изобразить ход атомных процессов в классическом духе, получаемые при таких условиях опытные данные, их надо рассматривать как дополнительные, в том смысле, что они представляют одинаково существенные сведения об атомных системах и, взятые вместе, исчерпывают эти сведения. Понятие дополнительности ни в коем случае не предполагает отказа от нашего положения независимых наблюдателей природы; это понятие нужно рассматривать как логическое выражение нашей ситуации по отношению к объективному описанию в этой области опытного знания. Взаимодействие между измерительными приборами и исследуемыми физическими системами составляет неотъемлемую часть квантовых явлений. Признание этого факта не только обнаружило не подозревавшуюся раньше ограниченность механистического понимания природы (в котором физическим системам приписываются самостоятельные свойства), но и заставило нас, при упорядочении опыта, обращать должное внимание на условия наблюдения.

Возвращаясь к неоднократно обсуждавшемуся вопросу о том, чего следует требовать от физического объяснения явлений, нужно иметь в виду следующее. Уже классическая механика обходится без понятия причины при рассмотрении равномерного движения; далее, теория относительности научила нас тому, что соображения инвариантности и эквивалентности могут рассматриваться как категории рационального объяснения. Подобно этому, в дополнительном описании квантовой физики мы имеем дело с дальнейшим самосогласованным обобщением. Это обобщение допускает включение закономерностей, которые играют решающую роль в описании фундаментальных свойств материи, но выходят за пределы детерминистического описания. Таким образом, история физической науки наглядно показывает, как исследование все более широких областей опытного знания, с одной стороны, обнаруживает неожиданные ограничения для привычных идей, но тем самым указывает, с другой стороны, новые пути для восстановления логического порядка. Как мы теперь покажем, гносеологический урок, содержащийся в ходе развития атомной физики, напоминает нам о подобных же ситуациях, возникающих при описании и толковании опытных данных в других областях, лежащих далеко за пределами физической науки. Этот урок позволяет нам подметить в разных областях общие черты и тем самым содействовать стремлению к единству знания.

Когда мы покидаем область собственно физики, мы прежде всего наталкиваемся на вопрос о месте живых организмов в описании природы. Раньше не проводили резкого разграничения между живой и неживой материей. Известно, что Аристотель, противопоставляя свою точку зрения идеям атомистов, подчеркивал цельность индивидуальных живых организмов; даже в рассуждениях об основах механики он сохранял такие идеи, как назначение и потенция. Однако в результате великих открытий эпохи Ренессанса в области анатомии и физиологии, и в особенности благодаря появлению классической механики, использующей детерминистическое описание, из которого исключена всякая ссылка на цель, естественно возникло такое представление о природе, которое является полностью механистическим. Большое число органических процессов смогло быть и в самом деле истолковано на основе тех физико-химических свойств материи, объяснение которых опирается на простые атомистические идеи. Правда, структура и отправления живых организмов предполагают упорядоченность атомных процессов, которую, казалось, трудно согласовать с законами термодинамики; последние требуют ведь, чтобы состояние атомов, составляющих изолированную физическую систему, постепенно приближалось к беспорядочному. Однако если надлежащим образом учесть то обстоятельство, что необходимая для сохранения и развития живых организмов свободная энергия непрерывно пополняется из окружающей среды дыханием и питанием организма, то станет ясно, что здесь нет и речи о каком-либо нарушении общих физических законов.

В последние десятилетия наши знания о строении и отправлениях живых организмов значительно пополнились; в частности, стало очевидным, что квантовые закономерности играют здесь во многих отношениях фундаментальную роль. Такие закономерности являются основой замечательной устойчивости чрезвычайно сложных молекулярных структур, образующих существенные составные части тех клеток, которые ответственны за наследственные свойства вида. Далее, исследования мутаций, возникающих после облучения живого организма проникающей радиацией, дают яркие примеры приложения статистических законов квантовой физики. Наконец, оказалось, что чувствительность воспринимающих органов, столь важная для сохранности живого организма, приближается к уровню отдельных квантовых процессов, причем усилительные механизмы играют важную роль в особенности в передаче нервных сигналов. В результате всех этих открытий снова выдвинулся на первый план механистический подход к проблемам биологии, понимаемый, впрочем, в новом смысле. Но в то же время стал очень острым вопрос о том, допустимо ли сравнение живых организмов со сложными и усовершенствованными механическими системами, вроде современных промышленных агрегатов или электронных счетных машин, и может ли такое сравнение служить подходящей основой для объективного описания саморегулирующихся образований, каковыми являются живые организмы.

Возвращаясь к общему гносеологическому уроку, преподанному нам атомной физикой, мы прежде всего должны ясно себе представить, что изучаемые в квантовой физике замкнутые процессы не представляют прямой аналогии с биологическими отправлениями, для поддержания которых нужен непрерывный обмен материей и энергией между живым организмом и окружающей средой. Кроме того, всякая экспериментальная установка, которая позволила бы контролировать такие отправления с той же степенью точности, какая требуется для четкого их описания на языке физики, будет препятствовать свободному течению жизни. Но именно это обстоятельство и наводит на мысль о таком понимании органической жизни, которое было бы в состоянии сбалансировать механистический подход с телеологическим. В самом деле, в описании атомных явлений в качестве первичного элемента, для которого объяснение невозможно и ненужно, выступает квант действия, и совершенно так же в биологической науке первичным элементом является понятие жизни; в существовании и эволюции живых организмов мы имеем дело скорее с проявлением возможностей той природы, к которой мы принадлежим, а не с результатами опытов, которые мы сами можем произвести. Мы должны признать, что требования объективного описания выполняются (или должны выполняться) в силу той характерной дополнительности, которая существует между практически применяемыми в биологии соображениями физико-химического характера и понятиями, прямо связанными с целостностью организма и выходящими за рамки физики и химии. Главное здесь в том, что, только отказавшись от объяснения жизни (объяснения в обычном смысле), мы приобретаем возможность учитывать ее особенности.

Конечно, в биологии, как и в физике, мы сохраняем наше положение независимых наблюдателей, и вопрос только в различии условий для логического согласования опыта. Это приложимо также и к изучению врожденного и обусловленного поведения животных и человека, где естественно напрашивается применение психологических понятий. Применения этих понятий едва ли можно избежать даже при таком подходе, когда за основу берется поведение живого объекта. Когда же мы имеем дело с поведением столь сложным, что его описание требует привлечения понятия самоанализа со стороны индивидуального живого организма, то появляется понятие сознательности. Мы имеем здесь дело со взаимно исключающими друг друга применениями слов «инстинкт» и «разум»; это иллюстрируется тем, до какой степени инстинктивное поведение сдерживается и подавляется в человеческих обществах. Когда мы пытаемся описать свое собственное душевное состояние, мы встречаемся с еще большими трудностями в смысле самонаблюдения. Тем не менее даже в психологии человека оказывается возможным в большой мере удовлетворить требованиям объективного описания. В этой связи интересно отметить, что в физической науке на ранних ее стадиях можно было опираться на такие стороны событий повседневной жизни, которые допускают простое причинное объяснение, тогда как при описании нашего душевного состояния использовалось с самого возникновения языков такое описание, которое по существу является дополнительным. Богатая терминология, приспособленная для таких повествований, направлена не на то, чтобы проследить за непрерывным ходом событий, а скорее на то, чтобы указывать на взаимно исключающие переживания. Эти переживания характеризуются тем, что по-разному проводится граница между содержанием того, что мы узнали и на чем сосредоточено наше внимание, и тем фоном, который обозначается словами «мы сами».

Особенно ярким примером является взаимоотношение между теми ситуациями, в которых мы обдумываем мотивы наших действий, и теми, когда мы испытываем чувство решимости. В нормальной жизни такой переход от одного состояния к другому (сдвиг упомянутой выше границы) более или менее осознается интуитивно. Но психиатрам хорошо известны и симптомы, характеризуемые как «раздвоение личности», которое может привести к ее распаду. Тот факт, что для описания различных, одинаково важных сторон человеческой души приходится применять различные, как бы исключающие друг друга характеристики, и в самом деле представляет замечательную аналогию с положением в атомной физике, где определение дополнительных явлений требует применения совсем разных элементарных понятий. Прежде всего самое слово «сознательный» относится к опыту, который может удержаться в памяти; это обстоятельство подсказывает нам сравнение между сознательным опытом и физическими наблюдениями. В этой аналогии невозможность придать недвусмысленное содержание идее подсознания соответствует невозможности наглядного (модельного) толкования квантово-механического аппарата. Между прочим, можно сказать, что психоаналитическое лечение неврозов восстанавливает равновесие в содержании памяти пациента тем, что приносит ему новый сознательный опыт, а не тем, что помогает ему измерить бездны его подсознания.

С биологической точки зрения мы можем толковать признаки психических явлений, только считая, что всякий сознательный опыт соответствует остаточному следу в организме, сводящемуся к остающейся в нервной системе необратимой записи исхода процесса; самые же процессы не поддаются самоанализу, но их едва ли можно исчерпывающе определить и с механистической точки зрения. Такие записи, в которых принимает участие взаимодействие многих нервных клеток, конечно, существенно отличаются от неизменяемых структур в каждой из тех клеток организма, которые связаны с генетическим воспроизведением. Рассуждая с телеологической точки зрения, мы могли бы подчеркнуть не только полезность остаточных следов, сказывающуюся в их влиянии на наши реакции на последующие раздражители, но и важность того, что позднейшие поколения уже не обременены частными переживаниями отдельных индивидуумов; для этих поколений существенно только воспроизведение тех свойств организмов, которые оказались полезными для накопления и использования знаний. При всякой попытке продвинуть исследование дальше мы, конечно, должны быть готовы встретить все возрастающие на каждом шагу трудности такого исследования. Надо думать, что простые понятия физической науки уже перестанут быть непосредственно приложимыми, и это в тем большей степени, чем ближе мы подойдем к тем чертам живых организмов, которые родственны свойствам нашего душевного мира.

Чтобы иллюстрировать это рассуждение, можно вкратце напомнить старую проблему свободы воли. Из того, что было сказано, уже ясно, что слово «воля» (или решимость, volition) необходимо для исчерпывающего описания психических явлений, а проблема состоит, собственно, в том, в какой мере можем мы говорить о свободе поступать согласно нашим возможностям. Если принять ничем не ограниченную детерминистическую точку зрения, то идея такой свободы, конечно, исключается. Но общий урок, извлекаемый из атомной физики и в особенности из факта ограниченности механистического описания биологических явлений, наводит на мысль, что в способности живых организмов приспосабливаться к окружающей среде заключена возможность выбирать наиболее подходящий для этого путь. Так как о подобных вопросах на чисто физической основе судить нельзя, то чрезвычайно важно уяснить себе, что более подходящую информацию об этих проблемах может дать наш психологический опыт. Решающим пунктом является здесь следующее: если мы будем пытаться предсказать, как решит поступить другой человек при данных обстоятельствах, то мы не только должны стараться узнать всю его подоплеку (включая историю его жизни со всех тех сторон, которые могли повлиять на формирование его характера), но, кроме этого, мы должны уяснить себе, что то, к чему мы здесь в конечном счете стремимся, – это поставить себя на его место. Конечно, невозможно сказать, хочет ли человек сделать что-то, потому что он считает, что он это может, или же он может, потому что хочет; однако едва ли можно сомневаться в том, что у нас есть ощущение, так сказать, способности использовать обстоятельства наилучшим образом. С точки зрения объективного описания здесь ничего нельзя ни прибавить, ни убавить, и в этом смысле как практически, так и логически мы вправе говорить о свободе воли, причем, однако, мы должны оставлять достаточно простора для употребления таких слов, как «ответственность» и «надежда», – слов, которые в отдельности так же мало поддаются определению, как и другие слова, необходимые для человеческого общения.

Такие рассуждения раскрывают гносеологические выводы, в отношении нашего положения как наблюдателей, из урока, преподанного нам развитием физических наук. Нам пришлось отказаться от привычных требований, предъявлявшихся к объяснению, но взамен этого нам предоставлены логические средства для охвата и понимания более широких областей нашего опыта, причем оказалось необходимым обращать должное внимание на положение линии раздела объект – субъект. Поскольку в философской литературе иногда ссылаются на разные степени (уровни) объективности или субъективности или даже реальности, нелишне подчеркнуть, что в объективном описании – таком, как мы его определили, – представление о первичном субъекте, так же как и понятия, подобные реализму и идеализму, не находит себе места; однако это обстоятельство отнюдь не означает какого-либо ограничения для нашего исследования и для области, к которой оно относится.

После того как я рассмотрел некоторые научные проблемы, имеющие отношение к единству знаний, я хочу обратиться к следующему вопросу, поставленному в нашей программе, а именно к вопросу о том, существует ли поэтическая, или духовная, или культурная истина, отличная от истины научной. При всей свойственной мне как естествоиспытателю неохоте входить в эти области, я попытаюсь, однако, прокомментировать этот вопрос с той же точки зрения, какой я придерживался в предыдущих своих рассуждениях. Возвращаясь к нашей мысли о зависимости между нашими средствами выражения и областью интересующего нас опыта, мы не можем миновать вопроса о взаимоотношении между наукой и искусством. Причина, почему искусство может нас обогатить, заключается в его способности напоминать нам о гармониях, недосягаемых для систематического анализа. Можно сказать, что литературное, изобразительное и музыкальное искусства образуют последовательность способов выражения, и в этой последовательности все более полный отказ от точных определений, характерных для научных сообщений, предоставляет больше свободы игре фантазии. В частности, в поэзии эта цель достигается сопоставлением слов, связанных с меняющимся восприятием наблюдателя, и этим эмоционально объединяются многообразные стороны человеческого познания.

Всякое произведение искусства требует вдохновения. Не будет, однако, непочтительным заметить, что даже на вершине своего творчества художник полагается на общечеловеческий фундамент, на котором строим и мы. В частности, мы должны осознать, что самое слово «импровизация», так легкомысленно слетающее с языка, когда говорят о художественном исполнении, указывает на неотъемлемое свойство всякого сообщения. В обычном разговоре мы более или менее бессознательно выбираем словесные выражения, передавая то, о чем мы думаем; даже в написанных бумагах, где мы имеем возможность пересмотреть каждое слово, вопрос о том, оставить его или заменить, требует для ответа какого-то окончательного решения, по существу эквивалентного импровизации. Между прочим, равновесие между серьезностью и шуткой, типичное для всякого истинно художественного исполнения, напоминает нам о дополнительных аспектах, бросающихся в глаза в детской игре и не менее ценимых взрослыми. В самом деле, если мы будем стараться всегда говорить совершенно серьезно, мы рискуем очень скоро показаться нашим слушателям и себе самим смехотворно скучными; а если мы попробуем все время шутить, мы скоро обнаружим (да и наши слушатели тоже), что находимся в унылом настроении шутов в драмах Шекспира.

При сравнении между науками и искусствами, конечно, нельзя забывать, что в науках мы имеем дело с систематическими согласованными усилиями, направленными к накоплению опыта и разработке представлений, пригодных для его толкования; это похоже на переноску и подгонку камней для постройки. В то же время искусство представляет собой более интуитивные попытки отдельного лица вызвать чувства, напоминающие о некоторой душевной ситуации в целом. Здесь мы подходим к той точке, где вопрос о единстве знаний, как и самое слово «истина», становится неоднозначным. Действительно, в отношении к духовным и культурным ценностям мы тоже не должны забывать о проблемах теории познания, которые связаны здесь с правильным балансом между нашим стремлением к всеобъемлющему взгляду на жизнь во всем ее многообразии и нашими возможностями выражать свои мысли логически связным образом.

Наука и религия занимают в этом вопросе существенно разные исходные позиции. Наука стремится к развитию общих методов упорядочения общечеловеческого опыта, а религии возникают из стремления споспешествовать гармонии взглядов и поведения внутри сообщества людей. Во всякой религии знания, которыми обладали члены общества, вкладывались, конечно, в некоторую уже готовую схему или структуру; первичное же содержание этой структуры составляли ценности и идеалы, положенные в основу культа и веры. Поэтому внутренняя связь между содержанием и формой мало привлекала к себе внимание до тех пор, пока последующее развитие науки не принесло новых принципиальных выводов космологического или гносеологического характера. Ход истории дает много таких примеров; мы можем сослаться, в частности, на настоящий раскол между наукой и религией, сопровождавший развитие механистического понимания природы во времена европейского Возрождения. С одной стороны, многие явления, на которые до тех пор смотрели как на проявление божественного провидения, оказались следствиями незыблемых общих законов природы. С другой стороны, физические методы и взгляды были очень далеки от того, чтобы делать упор на человеческие ценности и идеалы, важные для религии. Поэтому общим для школ так называемой эмпирической и критической философии было стремление провести какое-то (хотя и довольно неопределенное) различие между объективным значением и субъективной верой.

Благодаря признанию того, что в имеющем определенный смысл словесном сообщении необходимо обращать внимание на место, где проводится линия раздела объект – субъект, современное развитие науки создало новую основу для употребления таких слов, как «знание» и «вера». Прежде всего признание ограничений, присущих понятию причинности, выдвинуло систему понятий, в которой идея мирового предопределения заменена понятием естественной эволюции. Что касается организации человеческих обществ, то мы хотели бы особенно подчеркнуть, что в описании положения отдельного лица внутри общества имеются типично дополнительные стороны, связанные с подвижной границей между оценкой человеческих ценностей и общими положениями, на основании которых о них судят. Конечно, всякое устойчивое человеческое общество нуждается в честной игре, установленной мудрыми правилами; и в то же время жизнь без привязанности к семье и друзьям была бы, очевидно, лишена одной из своих самых драгоценных и привлекательных сторон. Общую цель всех культур составляет самое теснейшее сочетание справедливости и милосердия, какого только можно достигнуть; тем не менее следует признать, что в каждом случае, где нужно строго применить закон, не остается места для проявления милосердия, и наоборот, доброжелательство и сострадание могут вступить в конфликт с самыми принципами правосудия. Во многих религиях этот конфликт иллюстрируется мифами о битвах между богами, олицетворяющими такие идеалы, а в древневосточной философии это подчеркивается следующим мудрым советом: добиваясь гармонии человеческой жизни, никогда не забывай, что на сцене бытия мы сами являемся как актерами, так и зрителями.

При сравнении различных культур, опирающихся на традиции, воспитанные историческими событиями, мы встречаем затруднение, которое состоит в том, что трудно оценить культуру одного народа на фоне традиций другого. В этом отношении связь между национальными культурами иногда характеризовалась как дополнительная; но это слово нельзя здесь употреблять в его строгом смысле, в каком его употребляют в атомной физике или в психологическом анализе, где мы имеем дело с неизменяемыми чертами нашего положения.

С одной стороны, контакт между народами часто приводил к слиянию культур при сохранении ценных элементов национальных традиций; с другой стороны, и антропологические исследования постепенно становятся важным источником, освещающим общие для всех культур черты развития. Нам представляется несомненным, что проблему единства знаний нельзя отделять от стремления к всеобщему взаимопониманию как средству поднятия человеческой культуры.

В заключение этого доклада мне следовало бы просить извинения в том, что, говоря на такие общие темы, я так много ссылался на одну специальную область знаний, а именно на физические науки. Но мне хотелось указать на одну точку зрения, подсказанную нам в наши дни тем серьезным уроком, который был преподан нам в этой области; мне кажется, что эта точка зрения имеет важное значение для проблемы единства знаний. Эту установку можно резюмировать как стремление достигнуть гармоничного понимания все более широких аспектов того положения, в котором мы находимся. Мы должны признать, что ни один опытный факт не может быть сформулирован помимо некоторой системы понятий и что всякая кажущаяся дисгармония между опытными фактами может быть устранена только путем надлежащего расширения этой системы понятий.

1954

Атомы и человеческое познание

Если говорить о прогрессе познания и подчинения природы, частью которой являемся мы сами, то в истории науки едва ли что-либо может сравниться с исследованиями мира атомов в нашем веке. Однако со всяким ростом знаний и умений связана и большая ответственность; осуществление же богатых обещаний атомного века и устранение несомых им новых опасностей бросает всей нашей цивилизации серьезный вызов, на который можно ответить только сотрудничеством всех народов, основанным на общем понимании необходимости содружества людей. При таком положении вещей важно ясно себе представить, что наука не знает национальных границ и что ее достижения являются общим достоянием человечества; поэтому она во все времена объединяла людей в их усилиях разъяснить основы наших знаний. Как я постараюсь показать, изучение атома, приведшее к столь знаменательным последствиям и обязанное своими успехами мировому сотрудничеству, не только углубило наше проникновение в новую область опытных знаний, но и пролило новый свет на общие проблемы познания.

Сначала может показаться странным, что атомная наука содержит поучение общего характера; но мы должны помнить, что на всех этапах своего развития наука об атомах всегда затрагивала глубокие проблемы познания. Так, мыслители древности, вводя представление об ограниченной делимости вещества, пытались тем самым найти основу для понимания того постоянства, которое обнаруживают природные явления при всем их разнообразии и изменчивости. Атомистические идеи все более и более плодотворно содействовали развитию физики и химии начиная с эпохи Возрождения, но на них всегда, вплоть до начала этого столетия, смотрели как на гипотезу. Считалось очевидным и не требующим доказательства, что наши органы чувств, которые сами состоят из бесчисленных атомов, слишком грубы, чтобы наблюдать мельчайшие частицы материи. Это положение должно было, однако, существенно измениться благодаря крупным открытиям на пороге нашего столетия. Как хорошо известно, развитие техники эксперимента дало возможность регистрировать эффекты от отдельных атомов и получать информацию о более элементарных частицах, из которых, как было найдено, состоят сами атомы.

Признавая глубокое влияние, которое оказывал древний атомизм на развитие механистического понимания природы, нужно все же сказать, что только изучение непосредственно доступных астрономических и физических опытных фактов дало возможность выявить закономерности так называемой классической физики. Завет Галилея, согласно которому отчет о явлении следует основывать на измеримых величинах, позволил избавиться от тех анимистических взглядов, которые так долго мешали разумно формулировать механику. В принципах Ньютона были заложены основы для детерминистического описания, позволяющего по состоянию физической системы на данный момент времени предсказывать ее состояние для любого последующего времени. На этих же основаниях можно было объяснить и электромагнитные явления. Для этого требовалось, однако, чтобы в описание состояния системы входили, кроме положений и скоростей заряженных и намагниченных тел, величина и направление электрических и магнитных сил в каждой точке пространства в данный момент.

Долгое время думали, что система понятий, характерная для классической физики, дает нам надлежащее орудие для описания всех физических явлений, и ее считали пригодной для развития и использования атомистических идей. Конечно, для систем, состоящих, подобно обыкновенным телам, из огромного числа составных частей, не могло быть и речи об исчерпывающем описании состояния системы. Тем не менее оказалось возможным, не отказываясь от детерминистического идеала, вывести на основе принципов классической механики статистические закономерности, отражающие многие из свойств материальных тел. Несмотря на то, что законы движения механики допускают полное обращение хода каждого отдельного процесса, было получено исчерпывающее объяснение характерного свойства необратимости тепловых явлений; объяснение это заключается в статистическом равновесии энергии, наступающем в результате взаимодействия между молекулами. Это крупное расширение области применения механики еще сильнее подчеркнуло необходимость атомистических идей для описания природы и впервые дало возможность подсчитать число атомов в веществе.

Однако с выяснением основ, на которые опираются законы термодинамики, открылся и путь к установлению свойства цельности атомных процессов, – свойства, далеко выходящего за пределы старого учения об ограниченной делимости материи. Хорошо известно, что детальный анализ теплового излучения оказался проверкой применимости классических физических идей. Открытие электромагнитных волн уже дало основу для понимания распространения света и объяснило многие из оптических свойств веществ; но при попытках применить эти идеи к лучистому равновесию возникли непреодолимые трудности. Существенно то, что рассуждения здесь были основаны на общих принципах и не зависели от специальных предположений относительно состава веществ. Это обстоятельство и привело Планка к открытию в первом году этого столетия универсального кванта действия. Открытие Планка ясно показало, что классическое физическое описание является идеализацией и имеет ограниченную применимость. В явлениях обычного масштаба величины размерности действия так велики по сравнению с квантом, что его можно не включать в рассмотрение. Однако в собственно квантовых процессах мы встречаем закономерности, совершенно чуждые механистическому пониманию природы и не поддающиеся наглядному детерминистическому описанию.

Задача, поставленная перед физиками открытием Планка, была огромна. Требовалось при помощи тщательного анализа предпосылок, на которых основано применение наших самых элементарных понятий, расчистить место для кванта действия в рациональном обобщении классического физического описания. В течение всего времени развития квантовой физики, принесшей так много неожиданного, нам не раз пришлось вспомнить о трудности ориентироваться в области опытных фактов, не похожих на те, для описания которых приспособлены наши способы выражения. Широкое и интенсивное сотрудничество физиков многих стран способствовало быстрым успехам; разнообразие их подхода к данной проблеме оказалось очень плодотворным и помогло сфокусировать ее более резко. Здесь, конечно, невозможно было бы остановиться более подробно на том, что внес каждый из физиков; но в качестве фона для дальнейших рассуждений я напомню вам вкратце некоторые из главных особенностей этого развития.

В то время как Планк осторожно ограничился статистическими аргументами и подчеркивал затруднительность отказа от классических принципов детального описания природы, Эйнштейн смело указал на необходимость принимать во внимание квант действия в индивидуальных атомных явлениях. В тот же год, когда он так гармонично достроил здание классической физики, установив теорию относительности, он сделал еще одно открытие. Эйнштейн показал, что для описания наблюдений над фотоэлектрическим эффектом необходимо предположить, что передача энергии к каждому вырванному из вещества электрону соответствует поглощению так называемого кванта излучения. Так как идея о волнах необходима для объяснения распространения света, то не могло быть и речи о том, чтобы просто заменить ее корпускулярными представлениями. Поэтому ученые здесь встретились со своеобразной дилеммой, для разрешения которой требовался тщательный анализ области применимости наглядных представлений.

Как известно, этот вопрос еще больше обострился благодаря открытию Резерфордом атомного ядра. В ядре, несмотря на его малость, заключена почти вся масса атома, а его электрический заряд соответствует числу электронов в нейтральном атоме. Это дало простую картину атома, которая сразу же навела на мысль о применении идей механики и электромагнитной теории. Все же было ясно, что, согласно принципам классической физики, никакая конфигурация электрически заряженных частиц не может обладать устойчивостью, необходимой для объяснения физических и химических свойств атома. В частности, по классической электромагнитной теории всякое движение электронов вокруг атомного ядра должно сопровождаться непрерывным излучением энергии; в результате система станет быстро сжиматься до тех пор, пока электроны не соединятся с ядром, образуя нейтральную частицу исчезающе малых размеров по сравнению с теми, которые следует приписывать атомам. Однако указание на решающее значение кванта действия для устойчивости атомов и их реакции излучения было найдено в эмпирических законах линейчатых спектров элементов – законах, до тех пор совершенно непонятных.

Исходной точкой стал здесь так называемый квантовый постулат, по которому каждое изменение энергии атома есть результат полного перехода между двумя его стационарными состояниями. Предполагая далее, что всякий атомный акт излучения связан с испусканием или поглощением единичного светового кванта, можно было определить из спектров значения энергии стационарных состояний. Было очевидно, что в рамках детерминистического описания нельзя дать никакого объяснения неделимости процессов перехода и самому их возникновению при данных условиях. Оказалось, однако, возможным, опираясь на так называемый принцип соответствия, получить систематизацию связей электронов в атомах, отражающую многие из свойств веществ. Основываясь на сравнении с ходом процессов, ожидаемым по классической теории, искали указаний для такого статистического обобщения описания, которое было бы совместно с квантовым постулатом. Становилось, однако, все более и более ясным, что для того, чтобы получить непротиворечивый отчет об атомных явлениях, необходимо в еще большей мере отказаться от наглядных представлений и что нужна радикальная переформулировка всего описания, чтобы освободить место для всех тех особенностей явлений, которые связаны с квантом действия.

Решение, достигнутое в результате изобретательных и остроумных догадок многих из самых выдающихся физиков-теоретиков нашего времени, было удивительно просто. Как и при формулировании теории относительности, так и здесь соответствующий аппарат был найден в форме чрезвычайно развитых математических абстракций. Величины, которые в классической физике служат для описания состояния системы, заменяются в квантово-механическом формальном аппарате символическими операторами, коммутативность которых ограничена правилами, содержащими квант действия. Это значит, что таким величинам, как пространственные координаты и соответствующие составляющие количества движения частиц, нельзя одновременно приписывать определенные значения. Таким образом, статистический характер формального аппарата выступает как естественное обобщение описания классической физики. Кроме того, это обобщение сделало возможным логически последовательное формулирование закономерностей, ограничивающих индивидуальность тождественных частиц; закономерности эти, как и самый квант, не могут быть выражены на языке обычных физических наглядных представлений.

При помощи методов квантовой механики удалось объяснить большое количество опытных фактов, относящихся к физическим и химическим свойствам веществ. Не только были объяснены во всех деталях связи электронов в атомах и молекулах, но и удалось также глубоко проникнуть в строение и реакции атомных ядер. В связи с этим мы можем упомянуть о том, что вероятностные законы для спонтанных радиоактивных превращений были гармонично включены в статистическое квантово-механическое описание. При изучении превращений атомных ядер при высоких энергиях наблюдены за последние годы новые элементарные частицы; понимание свойств этих частиц продвинулось далеко вперед в результате приспособления формального аппарата к требованиям инвариантности, вытекающим из теории относительности. Все же здесь перед нами встают новые проблемы; решение их, очевидно, требует дальнейших абстракций, которые позволили бы сочетать квант действия с элементарным электрическим зарядом.

Несмотря на всю плодотворность квантовой механики, охватившей такую обширную область опытных фактов, отказ от привычных требований, предъявлявшихся к физическому описанию, заставил многих физиков и философов сомневаться в том, что мы имеем здесь дело с исчерпывающим описанием атомных явлений. В частности, высказывалось мнение, что статистический способ описания должен рассматриваться как временный выход из положения, но что в принципе он может быть заменен детерминистическим описанием. Тщательное обсуждение этого вопроса привело, однако, лишь к разъяснению нашего положения в атомной физике как наблюдателей; это и дало нам тот гносеологический урок, о котором упоминалось в начале доклада.

Поскольку задачей науки является увеличение и упорядочение нашего опыта, всякий анализ возможностей и предпосылок человеческого познания должен опираться на рассмотрение характера и полноты наших способов общения. Основой, конечно, является язык, выработанный для ориентировки в окружающем и для организации человеческого общества. Однако в результате расширения нашего опыта не раз возникали вопросы о том, достаточно ли тех понятий и идей, которые воплотились в нашем обыденном языке. Благодаря сравнительной простоте физических проблем они особенно подходят для исследования того, как употребляются наши способы общения. В самом деле, развитие атомной физики научило нас тому, как, не отступая от обычного языка, можно создать систему понятий, достаточно общую для исчерпывающего описания новых опытных фактов.

В связи с этим настоятельно необходимо уяснить себе, что во всяком отчете о физическом опыте нужно описывать как условия опыта, так и результаты наблюдения теми же словами и средствами, какие употребляются в классической физике. При анализе отдельных атомных частиц это становится возможным благодаря необратимым усилительным эффектам – таким как пятно на фотографической пластинке, остающееся после удара о нее электрона, или как электрический разряд, созданный им в счетчике. Тогда наблюдения касаются только того, когда и где была зарегистрирована частица на пластинке или ее энергия при попадании ее в счетчик. Конечно, эта информация предполагает, что положение фотопластинки относительно других частей экспериментальной установки известно; такими частями могут быть направляющие диафрагмы и затворы, которые служат для локализации в пространстве и времени, или же заряженные и намагниченные тела, которые определяют действующие на частицу внешние силовые поля и позволяют делать измерения энергии. Экспериментальные условия можно менять многими способами, но главное здесь в том, что в каждом случае мы должны быть в состоянии передать другим, что мы сделали и что мы узнали; поэтому-то действие измерительных приборов непременно должно описываться в рамках классических физических понятий.

Так как все измерения касаются, таким образом, тел достаточно тяжелых, чтобы при их описании можно было пренебречь квантом действия, то, строго говоря, в атомной физике нет никакой новой проблемы наблюдения. Возможность строить отчет на измеримых величинах основана на усилении атомных эффектов, которое придает явлениям своеобразный замкнутый характер и вместе с тем подчеркивает необратимость, характерную для самого понятия наблюдения. В рамках классической физики нет принципиальной разницы между описанием измерительных приборов и описанием объектов исследования. Но когда мы изучаем квантовые явления, положение будет совсем иное, поскольку квант действия налагает ограничения на описание состояния системы при помощи пространственно-временных координат и энергетических величин (количества движения и энергии). Так как детерминистическое описание классической физики основано на предположении о неограниченной совместности локализации в пространстве и времени и применения динамических законов сохранения, то мы, очевидно, наталкиваемся здесь на вопрос, можно ли полностью сохранить такое описание в случае атомных объектов.

Для выяснения этого главного пункта роль взаимодействия между объектами и измерительными приборами в описании квантовых явлений оказалась особенно важной. Как подчеркивал Гейзенберг, локализация объекта в ограниченной области пространства – времени влечет за собой, согласно квантовой механике, обмен количеством движения и энергией между прибором и объектом; этот обмен тем больше, чем меньше выбранная область. Поэтому было крайне важно исследовать, насколько при описании явления можно учитывать в отдельности и взаимодействие, возникающее при наблюдении. Этот вопрос был центральным во многих дискуссиях, причем появилось много предложений, имевших целью полное контролирование взаимодействий. Однако в таких рассуждениях не обращали должного внимания на тот факт, что самое описание действия измерительных приборов предполагает, что все обусловленные квантом взаимодействия между прибором и атомными объектами неотделимы от явления.

Действительно, каждая экспериментальная установка, позволяющая регистрировать атомную частицу в ограниченной области пространства – времени, требует применения закрепленных масштабов и синхронизированных часов. Поэтому по самому определению их исключается возможность контролировать передаваемые им количество движения и энергию. И наоборот, всякое однозначное приложение динамических законов сохранения в квантовой физике требует, чтобы описание явления сопровождалось принципиальным отказом от детальной локализации в пространстве – времени. Такое взаимное исключение экспериментальных условий означает, что в хорошо определенном описании явления нужно принимать во внимание полностью всю экспериментальную установку. Неделимость квантовых явлений находит свое логическое выражение в том обстоятельстве, что каждое поддающееся определению подразделение явления потребовало бы изменения экспериментальной установки, а это изменение сопровождалось бы появлением новых индивидуальных процессов. Таким образом, отпало самое основание для детерминистического описания. Статистический же характер предсказаний явствует из того, что в одной и той же экспериментальной установке будут, вообще говоря, регистрироваться результаты, соответствующие разным индивидуальным процессам.

Такие рассуждения не только разъяснили упомянутую выше дилемму относительно распространения света, но и окончательно разрешили соответствующие парадоксы, связанные с наглядным представлением поведения материальных частиц. Здесь мы, конечно, не можем искать физического объяснения в привычном смысле; все, что мы можем требовать в этой новой области опытных фактов, – это устранение всякого, даже кажущегося, противоречия. Как бы ни были велики контрасты, которые обнаруживают атомные явления при различных условиях опыта, такие явления следует называть дополнительными, в том смысле, что каждое из них хорошо определено, а взятые вместе они исчерпывают все поддающиеся определению сведения об исследуемых объектах. Единственной целью формального аппарата квантовой механики является систематический охват наблюдений, полученных при таких условиях опыта, которые описываются простыми физическими понятиями; существующий аппарат как раз и дает такое исчерпывающее дополнительное описание для очень большой области опытных фактов. Отказ от наглядных представлений затрагивает только состояние атомных объектов; при этом полностью сохраняются основы описания экспериментальных условий, равно как и наша свобода их выбирать. Во всех этих отношениях формальный аппарат квантовой механики, применимый только к замкнутым явлениям, должен рассматриваться как рациональное обобщение классической физики.

Если помнить о том влиянии, которое оказывало механистическое понимание природы на философское мышление, то нетрудно понять, почему иногда в понятии дополнительности видели ссылку на субъективного наблюдателя – ссылку, несовместимую с объективностью научного описания. В каждой области исследования мы должны, конечно, сохранять резкое разграничение между наблюдателем и содержанием наблюдений. Но мы должны ясно представлять себе, что открытие кванта действия пролило новый свет на самые основы описания природы; оно обнаружило, что для разумного использования понятий, на которых основаны сообщения об опытных фактах, необходимы предпосылки, до того не замеченные. В квантовой физике описание действия измерительных приборов является, как мы видели, необходимым условием для определения самого явления. Проводя в известном смысле различие между субъектом и объектом, мы должны делать это так, чтобы в каждом отдельном случае было обеспечено однозначное применение элементарных физических понятий, которые употребляются в описании. Понятие дополнительности отнюдь не содержит какого-либо мистицизма, чуждого духу науки; наоборот, оно просто указывает на логические предпосылки для описания и толкования опытных фактов в атомной физике.

Подобно более ранним успехам физической науки, гносеологический урок, преподанный нам атомной физикой, естественно, заставляет нас заново пересмотреть и в других областях знаний применение наших способов общения для объективного описания. Упор, который делается на проблему наблюдения в атомной физике, не в меньшей степени подымает аналогичные вопросы в биологии и психологии, а именно вопросы о положении живых организмов в описании природы и о нашем собственном положении существ думающих и действующих. Хотя в рамках классической физики и можно было до некоторой степени сравнивать живые организмы с машинами, всегда было ясно, что такие сравнения недостаточно учитывают многие из характерных для жизни черт. Недостаточность механистического представления о природе для описания положения человека особенно хорошо обнаруживается на трудностях, связанных с примитивным различением между душой и телом.

Проблемы, встающие здесь перед нами, очевидно, связаны с тем фактом, что многие стороны человеческого существования требуют для своего описания терминологии, которая не опирается непосредственно на простые физические представления. То обстоятельство, однако, что такие представления имеют ограниченную применимость и для атомных явлений, дает указание на способы, посредством которых биологические и психологические явления также могут быть включены в рамки объективного описания. Как и раньше, здесь важно помнить о разделении между наблюдателем и содержанием сообщения. При механистическом понимании природы линия раздела субъект – объект фиксирована; признание того, что последовательное применение наших представлений требует иногда другого проведения этой границы, как раз и освобождает место для расширения описания.

Не пытаясь давать какое-либо исчерпывающее определение органической жизни, мы можем сказать, что живой организм характеризуется своей целостностью и своей приспособляемостью. Это значит, что описание внутренних отправлений живого организма и его реакций на внешние возбудители часто требует употребления слова «целесообразный», чуждого физике и химии. Хотя результаты атомной физики и нашли множество приложений в биофизике и биохимии, все же замкнутые индивидуальные квантовые явления, конечно, не обнаруживают никаких черт, напоминающих что-либо характерное для понятия жизни. Как мы видели, описание атомных явлений является исчерпывающим для широкой области опытных фактов, и оно основано на возможности свободного использования таких измерительных приборов, какие нужны для надлежащего применения элементарных понятий. Однако в живых организмах такого рода разграничение между измерительными приборами и исследуемыми объектами едва ли может быть проведено полностью. Мы должны быть готовы к тому, что каждая хорошо определенная в смысле атомной физики экспериментальная установка, целью которой является описание отправлений живого организма, окажется несовместной с проявлением жизни.

В биологических исследованиях делаются ссылки на свойства целостности живых организмов и на целесообразность их реакций и наравне с ними используется все более детальная информация о строении организмов и о регулирующих процессах в них – информация, которая привела к таким большим успехам, в частности, в медицине. Мы имеем здесь дело с практическим подходом к области, в которой применяемые для описания разных ее сторон способы выражения подразумевают взаимно исключающие условия наблюдения. В связи с этим следует понять, что точки зрения, называемые механистической и телеологической, не противоречат друг другу, а скорее обнаруживают дополнительную зависимость, связанную с нашим положением наблюдателей природы. Во избежание недоразумений важно, однако, отметить, что – в противоположность отчету об атомных закономерностях – описание органической жизни и оценка возможностей ее развития не могут претендовать на полноту, а могут лишь стремиться к построению достаточно широкой системы понятий.

При описании опытных фактов из области психологии мы встречаемся с такими условиями наблюдения и соответствующими им способами выражения, которые отстоят еще дальше от физической терминологии. Независимо от того, насколько в описании поведения животных нужны и оправданы такие слова, как «инстинкт» и «разум», слово «сознание» в применении к самому себе и к другим совершенно необходимо для описания ситуации в случае человека. Терминология, приспособленная для ориентирования в окружающем, еще могла исходить из простых физических представлений и из идеи причинности; отчет же о наших душевных состояниях требует типично дополнительного метода описания. В самом деле, употребление таких слов, как «мысль» или «чувство», относится не к какой-то твердо увязанной причинной цепи, а к видам душевного опыта, исключающим друг друга благодаря неодинаковому разграничению между сознательным содержанием и тем фоном, который мы приблизительно обозначаем «мы сами».

Особенно поучительно отношение между тем душевным опытом, когда мы испытываем чувство решимости, и тем, когда мы сознательно размышляем о мотивах к действию. Неизбежность прибегать при описании всего богатства сознательной жизни к таким, казалось бы, противоречивым способам выражения поразительно напоминает способ применения элементарных физических представлений в атомной физике. При такого рода сравнении мы должны, однако, признать, что психический опыт не может быть подчинен физическим измерениям и что самое понятие волевого акта не относится к обобщению детерминистического описания, но с самого начала указывает на характерные черты человеческой жизни. Не пускаясь в старый философский спор о свободе воли, я упомяну только о том, что в объективном описании нашей ситуации употребление слова «хотение» или «решимость» близко соответствует употреблению таких слов, как «надежда» или «ответственность»; все они одинаково необходимы для общения между людьми.

Мы здесь подошли к проблемам, затрагивающим человеческое сообщество. В этих проблемах разнообразие способов выражения проистекает от невозможности охарактеризовать каким-нибудь фиксированным отличительным признаком роль личности в обществе. Тот факт, что человеческие культуры, развившиеся при разных условиях жизни, обнаруживают такие контрасты в отношении установившихся традиций и общественного строя, позволяет называть эти культуры в известном смысле дополнительными. Однако мы ни в коем случае не имеем здесь дело с определенными взаимно исключающими друг друга чертами, подобными тем, которые мы встречали при объективном описании общих проблем физики и психологии; здесь – это различия во взглядах, которые могут быть оценены и улучшены расширенным общением между народами. В наше время, когда возрастающие познания и умение их применять связывают судьбы всех народов более, чем когда-либо раньше, международное сотрудничество в науке получило далеко идущие задания, осуществлению которых немало может способствовать осознание общих закономерностей человеческого познания.

1955

Физическая наука и проблема жизни

Для меня было удовольствием принять предложение Копенгагенского медицинского общества прочесть одну из Стенсеновских[14] лекций, которыми общество чтит память знаменитого датского ученого; его достижениями восхищаются всё в большей степени не только в нашей стране, но и во всем научном мире. Я избрал своей темой проблему, занимавшую человеческую мысль в течение многих веков; она глубоко интересовала и самого Нильса Стенсена. Эта проблема состоит в выяснении того, насколько физический опыт может помочь нам в объяснении органической жизни в ее богатых и разнообразных проявлениях. Из развития физики за последние десятилетия, в частности из исследований так долго скрытого от нас мира атомов, можно извлечь поучение, касающееся нашего положения наблюдателей той природы, частью которой мы являемся сами. Я попытаюсь показать, как это развитие и этот урок создали новые предпосылки для нашего отношения к этому вопросу.

Уже в философских школах древней Греции мы находим расхождение во мнениях относительно средств и понятий, пригодных для объяснения поразительных, отличий между живыми организмами и другими материальными телами. Хорошо известно, что атомисты считали ограниченную делимость всякой материи необходимой не только для объяснения простых физических явлений, но и для толкования отправлений живых организмов и связанных с ними психических явлений. С другой стороны, Аристотель отвергал атомистические идеи и, имея в виду цельность, какую обнаруживает каждый живой организм, защищал необходимость вводить в описание природы такие понятия, как совершенство и целесообразность.

В течение почти 2000 лет положение оставалось, по существу, неизменным. Только в эпоху Возрождения были сделаны те великие открытия как в физике, так и в биологии, которые должны были дать новый побудительный толчок к дальнейшему их развитию. В физике прогресс состоял прежде всего в освобождении от аристотелевской идеи о движущих силах как о причине всякого движения. Галилей установил, что равномерное движение есть проявление инерции, и рассматривал силу как причину изменения движения. Оба эти утверждения должны были стать основой развития механики, которую Ньютон облек в незыблемую и законченную форму, к восхищению последующих поколений. В этой так называемой классической механике исключено всякое упоминание о цели, так как ход событий описывается как автоматическое следствие заданных начальных условий.

Прогресс механики не мог не оказать сильнейшего влияния на всю современную науку. В частности, анатомические исследования Везалиуса (Vesalius) и открытие Гарвеем (Harvey) кровообращения навели на мысль сравнивать живые организмы с машинами, работающими по законам механики. Из философов особенно Декарт подчеркивал сходство животных с автоматами, но вместе с тем он приписывал человеческим существам душу, взаимодействующую с телом в некоторой железе в мозгу. Однако в своем знаменитом Парижском докладе об анатомии мозга Стенсен подчеркнул недостаточность современного знания таких проблем; этот доклад свидетельствует о его большой наблюдательности и непредвзятости, характерных для всей его научной деятельности.

Дальнейшее развитие биологии, особенно после изобретения микроскопа, привело к открытию неожиданной тонкости строения живых организмов и их регулирующих процессов. Таким образом, механистические идеи нашли себе еще более широкое применение; но в то же время поразительная способность живых организмов к регенерации и приспособлению породила и так называемые виталистические и финалистические (телеологические) взгляды, которые не раз и высказывались. Такого рода взгляды уже не возвращали к примитивным идеям жизненной силы, действующей в живых организмах, а скорее делали упор на недостаточность физического подхода для объяснения характерных черт жизни. В качестве спокойного изложения ситуации, какой она была в начале этого столетия, я бы хотел сослаться на следующее высказывание моего отца, физиолога Христиана Бора, во введении к его статье, опубликованной в ежегодном издании Копенгагенского университета за 1910 г. под заглавием «О патологическом расширении легких»:

«Поскольку физиологию можно характеризовать как особую ветвь естественных наук, ее специальной задачей является изучение явлений, свойственных живому организму как данному эмпирическому объекту; цель этих исследований – добиться понимания роли различных частей организма в саморегуляции, понимания того, как эти части уравновешивают друг друга и достигают согласованности при изменении внешних воздействий и внутренних процессов. Соответственно самой природе этой задачи слово „цель“ относят к сохранению живого организма, а целесообразным называют регулирующие механизмы, служащие к его сохранению. Именно в этом смысле мы в дальнейшем и будем употреблять понятие „целесообразность“ в применении к органическим отправлениям. Для того чтобы употребление этого понятия в каждом отдельном случае не было бессодержательным или даже вводящим в заблуждение, нужно потребовать, чтобы ему всегда предшествовало достаточно тщательное исследование рассматриваемого явления органической жизни. Такое исследование должно шаг за шагом осветить тот путь, каким это явление способствует сохранению живого организма. Хотя это есть всего-навсего требование научного доказательства того, что в данном случае понятие целесообразности употреблено в соответствии с его определением, а это требование может показаться очевидным, тем не менее мы считаем нелишним его подчеркнуть. Действительно, физиологические исследования выявили такое великое множество крайне тонких приспособлений живого организма, что очень соблазнительно называть каждое наблюденное проявление жизни целесообразным, не затрудняя себя экспериментальным исследованием детальных его отправлений. При помощи аналогии, которые так легко находятся среди многообразных органических отправлений, легко сделать следующий шаг и истолковать такое отправление субъективным образом, приписав ему в данном случае то или иное специальное назначение. Очевидно, однако, что при нашем столь ограниченном знакомстве с живыми организмами такое субъективное суждение очень часто может быть ошибочным; это иллюстрируется множеством примеров. В таких случаях недостаточное экспериментальное освещение деталей процесса и является причиной ошибочных результатов подобного образа действия. Само по себе априорное предположение целенаправленности органического процесса, однако, вполне естественно в качестве эвристического принципа; благодаря крайней сложности условий в организме и трудности их учета и понимания этот принцип может оказаться не только полезным, но даже необходимым для постановки конкретной научной задачи и для поисков путей к ее решению. Но одно дело – это то, чем удобно и можно пользоваться в предварительном исследовании, и совсем другое дело – то, что может законно рассматриваться как окончательный результат. Что касается проблемы целесообразности данного отправления для сохранения живого организма в целом, то, как подчеркнуто выше, такой результат может быть обеспечен только наглядным показом в подробностях тех путей, которыми достигается эта цель».

Я привел эти замечания, отражающие взгляды того круга, в котором я вырос и чьи дискуссии я слушал в молодости, потому что они представляют подходящую исходную точку для исследования места, занимаемого живыми организмами в описании природы. Как я попытаюсь показать, современное развитие атомной физики, увеличив наши знания об атомах и о том, как они составлены из более элементарных частиц, обнаружило вместе с тем принципиальную ограниченность так называемого механистического представления о природе. Этим оно создало новые предпосылки для решения вопроса, имеющего прямое отношение к нашему предмету, а именно: что мы можем понимать под научным объяснением и что мы можем от него требовать?

Для того чтобы представить положение в физике как можно яснее, я прежде всего напомню вам тот крайний взгляд, который был выражен в известной идее Лапласа о мировой машине и который возник под влиянием больших успехов классической механики. Согласно этой концепции, все взаимодействия между частями, составляющими эту машину, подчиняются законам механики; поэтому интеллект, знающий расположение и скорости этих частей, мог бы предсказать все последующие события во вселенной, включая поведение животных и человека. Эта идея, как известно, играла большую роль в философских дискуссиях; однако во всей этой концепции не было обращено должного внимания на те предпосылки, которые нужны для того, чтобы были применимы такие понятия, без каких невозможно сообщение о физическом опыте.

В этом отношении дальнейшее развитие физики настоятельнейшим образом преподало нам урок. Уже чрезвычайно важное толкование тепловых явлений как непрерывного движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах привлекло внимание к большому значению условий наблюдения для описания опытных фактов. Конечно, не могло быть и речи о подробном описании движения бесчисленных молекул среди себе подобных; можно было говорить лишь о выводе статистических закономерностей теплового движения путем использования общих механических принципов. Своеобразный контраст между обратимостью простых механических процессов и необратимостью, типичной для многих термодинамических явлений, был, таким образом, разъяснен тем фактом, что применение понятий, подобных температуре и энтропии, относится к экспериментальным условиям, несовместным с полным контролем над движением отдельных молекул.

В сохранении и росте живых организмов видели иногда противоречие с вытекающим из законов термодинамики стремлением к температурному и энергетическому равновесию изолированной физической системы. Однако мы должны помнить, что живые организмы непрерывно снабжаются свободной энергией путем питания и дыхания и самые тщательные физиологические исследования никогда не обнаруживали никакого отклонения от принципов термодинамики. Все же признание такого рода сходства между живыми организмами и обыкновенными силовыми двигателями, конечно, никоим образом не достаточно для ответа на вопрос о положении живых организмов в описании природы; этот вопрос, очевидно, требует более глубокого анализа проблемы наблюдения.

Как раз эта проблема и была неожиданно выдвинута на первый план открытием универсального кванта действия, выражающего свойство цельности атомных процессов; это свойство не допускает того различения между наблюдением явления и поведением объектов самих по себе, которое столь характерно для механистической концепции природы. В физических системах обычного масштаба изображение событий как цепи состояний, описываемых доступными измерению величинами, покоится на том обстоятельстве, что мы имеем здесь дело с действиями достаточно большими, чтобы можно было пренебрегать взаимодействием между объектами и телами, которые служат как измерительные инструменты. В условиях, когда квант действия играет решающую роль и когда взаимодействие составляет неотъемлемую часть явления, уже нельзя в этой же мере приписывать явлениям ход, точно определенный в механическом смысле.

Мы стоим здесь перед крушением обычных физических наглядных представлений; это крушение убедительно сказывается в трудности говорить о свойствах атомных объектов независимо от условий их наблюдения. В самом деле, электрон, несомненно, можно рассматривать как заряженную материальную частицу, поскольку измерения его инертной массы всегда дают один и тот же результат и поскольку каждая передача электричества между атомными системами всегда равна целому кратному числу так называемого единичного заряда. Между тем интерференционные эффекты, возникающие, когда электроны проходят сквозь кристаллы, несовместимы с механическими представлениями о движении частиц. Мы встречаем аналогичные черты в известной дилемме о природе света, поскольку оптические явления требуют понятия о распространении волн, тогда как законы передачи количества движения и энергии в атомных фотоэффектах опираются на механическое представление о частицах.

Эта ситуация, новая в физической науке, потребовала нового анализа тех предпосылок, на которых основано применение понятий, употребляемых нами для ориентирования в окружающем. Конечно, в атомной физике мы сохраняем свободу ставить природе вопросы в форме экспериментов, но мы должны признать, что все разнообразные экспериментальные условия определяются исключительно телами настолько тяжелыми, что в описании их действия можно не считаться с квантом. Информация об атомных объектах получается только в форме следов, которые они оставляют на этих измерительных приборах; таким следом является, например, пятно от удара электрона о фотографическую пластинку, помещенную в экспериментальной установке. То обстоятельство, что такие следы происходят от необратимых усилительных эффектов, придает явлениям своеобразный законченный характер, прямо указывающий на принципиальную необратимость самого понятия наблюдения.

Особенность положения в квантовой физике состоит прежде всего в том, что информация, полученная об атомных объектах, не может быть объединена и истолкована на основе того подхода, который типичен для механистической концепции природы. Уже тот факт, что в одной и той же экспериментальной установке будут, вообще говоря, регистрироваться наблюдения, относящиеся к разным индивидуальным квантовым процессам, влечет за собой принципиальное ограничение детерминистического метода описания. Далее, классическое физическое описание покоится на требовании неограниченной возможности подразделять явление; но это требование явно несовместно со свойством цельности типичных квантовых явлений. В самом деле, всякое поддающееся определению подразделение требует изменения экспериментальной установки, благодаря которому возникают новые индивидуальные эффекты.

Чтобы характеризовать соотношение между явлениями, наблюденными при разных экспериментальных условиях, был введен термин «дополнительность»; он подчеркивает тот факт, что, взятые вместе, такие явления исчерпывают всю поддающуюся определению информацию об атомных объектах. Идея дополнительности отнюдь не содержит произвольного отказа от привычного физического объяснения; но она непосредственно относится к нашему положению наблюдателей в такой области опыта, где однозначное применение понятий, используемых при описании явлений, существенно зависит от условий наблюдения. Математическое обобщение системы понятий классической физики дало возможность развить формальный аппарат, в котором остается место для логического включения кванта действия. Непосредственная цепь этой так называемой квантовой механики состоит в формулировании статистических закономерностей, относящихся к данным, добытым в определенных условиях наблюдения. Принципиальная полнота такого рода описания обеспечивается тем, что при этом идеи классической механики сохраняются в пределах, достаточных для характеристики любых поддающихся определению вариантов экспериментальных условий.

Дополнительный характер квантово-механического описания ясно выражен в способе описания состава и реакций атомных систем. Так, характерные спектры элементов и валентности химических соединений зависят от закономерностей, относящихся к энергетическим состояниям атомов и молекул, а эти закономерности обнаруживаются только при таких обстоятельствах, когда возможность контроля над положениями электронов в атоме или в молекуле исключена. В этой связи интересно отметить, что плодотворное применение структурных формул в химии покоится единственно на том факте, что атомные ядра намного тяжелее электронов. Однако что касается устойчивости и превращений самих ядер, то там квантово-механические свойства опять становятся решающими. Только в дополнительном описании, выходящем за рамки механистического понимания природы, и можно найти место для фундаментальных закономерностей, определяющих свойства тех веществ, из которых состоят наши инструменты и наши тела.

Прогресс в области атомной физики нашел, как известно, широкое применение в биологических науках. В частности, я могу указать на достигнутое нами понимание своеобразной устойчивости химических структур в клетках, передающих наследственные свойства вида, а также понимание статистических законов появления мутаций в организмах, подвергшихся воздействию специальных факторов. Далее, усилительные эффекты, подобные тем, какие позволяют наблюдать индивидуальные атомные частицы, играют решающую роль во многих отправлениях живого организма. Наличие таких эффектов подчеркивает необратимый характер типичных биологических явлений. А присущая описанию отправлений живых организмов направленность хода времени ярко проявляется в способности организмов использовать предшествующий опыт для реакций на последующие раздражители.

В этом многообещающем развитии мы имеем дело с очень важным и, по существу, почти неограниченным расширением области применения чисто физических и химических идей к биологическим проблемам. А так как квантовая механика представляется рациональным обобщением классической физики, то в целом этот подход можно назвать механистическим. Вопрос, однако, в том, действительно ли и в каком смысле такой прогресс подрывает основы для применения в биологии так называемых финалистических аргументов. Здесь мы должны признать, что описание и толкование замкнутых квантовых явлений не обнаруживает никаких признаков, указывающих на то, что организация, составленная из атомов, способна приспосабливаться к окружающему так, как мы это видим в случае самосохранения и эволюции живых организмов. Далее, необходимо подчеркнуть, что исчерпывающий, в смысле квантовой физики, отчет о всех непрерывно обменивающихся атомах живого организма не только невозможен, но, очевидно, потребовал бы таких условий наблюдения, которые несовместны с проявлением жизни.

Однако поучение, касающееся того, какую роль играют орудия наблюдения в определении элементарных физических понятий, дает ключ к логическому применению таких понятий, как целесообразность, которые чужды физике, но так прекрасно приспособлены к описанию органических явлений. В самом деле, если иметь это в виду, то будет очевидно, что взгляды, называемые механистическими и финалистическими, не представляют противоречащих друг другу точек зрения на биологические проблемы, а скорее подчеркивают взаимно исключающий характер условий наблюдения, одинаково необходимых для наших поисков все более полного описания жизни. Здесь, конечно, речь идет не об объяснении такого типа, как описание работы простых механических конструкций на основе классической физики или как описание действий сложных электронных счетных машин. Предмет нашего обсуждения – расширение того анализа предпосылок и области применимости понятий, служащих для передачи опыта, который стал характерной чертой новейшего развития физики.

Если не считать различий в условиях наблюдения, словесная передача биологических опытных данных содержит не больше ссылок на субъективного наблюдателя, чем описание опыта физического. Таким образом, до сих пор не было надобности входить в подробности тех условий наблюдения, которые характерны для отчета о психологических явлениях. Но для этих последних мы уже не можем полагаться на систему понятий, выработанную для нашего ориентирования в неживой природе. Однако сознательный опыт запоминается, и потому он должен быть связан с остаточным изменением конституции организма. Этот факт заставляет думать о сходстве между психическими опытами и физическими наблюдениями. Что касается зависимостей между разными видами сознательного опыта, то тут мы тоже встречаем черты, напоминающие условия для связного описания атомных явлений. Богатый словарь, которым мы пользуемся при описании нашего душевного состояния, как раз и подразумевает типично дополнительный метод описания, соответствующий непрерывному изменению того предмета, на котором сосредоточено внимание.

Механистический метод описания потребовал расширения, чтобы можно было охватить неделимость атомных явлений. Подобно этому, цельность живого организма и единство личности, конечно, ставят нас лицом к лицу с необходимостью дальнейшего обобщения той основы, на какой возможно рациональное использование наших средств общения. В этом отношении надо подчеркнуть, что необходимое для однозначного описания разграничение между субъектом и объектом сохраняется и здесь. Это достигается тем, что в каждом сообщении, содержащем ссылку на нас самих, мы, так сказать, вводим новый субъект, не являющийся предметом нашего сообщения. Едва ли нужно особо подчеркивать, что именно эта свобода выбора линии разграничения субъект – объект и освобождает место для многообразия сознательных явлений и богатства человеческой жизни.

Та точка зрения на общие проблемы познания, к которой привело нас развитие физики в этом столетии, существенно отличается от подхода к таким проблемам во времена Стенсена. Однако это не значит, что мы сошли с того пути к обогащению наших познаний, по которому он шел с таким большим успехом; мы только ясно поняли, что стремление к красоте и гармонии, которое отличало деятельность Стенсена, требует неуклонного пересмотра предпосылок и степени общности понятий, используемых в качестве средств общения.

1957

Квантовая физика и философия

Значение физических наук для философии состоит не только в том, что они все время пополняют сумму наших знаний о неодушевленной материи, но и прежде всего в том, что они позволяют подвергнуть проверке те основания, на которых покоятся наши самые первичные понятия, и выяснить область их применимости. Накопление экспериментальных данных и развитие теоретических понятий, несомненно, приводят к усовершенствованиям в терминологии. Тем не менее всякое описание физических результатов основано в конечном счете на обычном языке, приспособленном к тому, чтобы разбираться в окружающем и прослеживать связи между причинами и следствиями. Галилеева программа, согласно которой описание физических явлений должно опираться на величины, имеющие количественную меру, дала прочные основы для упорядочения опытных данных во все более и более широкой области.

В ньютоновой механике состояние системы материальных тел определяется их мгновенными положениями и скоростями. Если известно состояние системы в данный момент времени и если известны силы, действующие на тела, то в ньютоновой механике оказывается возможным, применяя хорошо известные простые законы, определить единственно из этих данных состояние системы во всякий другой момент времени. Описание такого рода представляет, очевидно, идеальную форму причинной связи, соответствующую понятию детерминизма. Выяснилось, что такое описание применимо и в более широкой области. Так, при отображении электромагнитных явлений, где приходится рассматривать распространение сил с конечными скоростями, оказалось возможным сохранить детерминистское описание, включив в понятие состояния не только положения и скорости заряженных частиц, но и задаваемые по величине и по направлению электрические и магнитные силы в каждой точке пространства в рассматриваемый момент времени.

В этом отношении положение вещей не изменилось существенным образом в результате признания того, что описание физических явлений в определенной мере зависит от системы отсчета, избранной наблюдателем. Признание этого обстоятельства составляет содержание понятия относительности. Мы имеем здесь дело с чрезвычайно плодотворным научным направлением, которое позволило формулировать физические законы, общие для всех наблюдателей, и связать явления, представлявшиеся прежде несвязанными. Хотя в этих формулировках применяются математические абстракции, такие как четырехмерная неевклидова метрика, физическое толкование для каждого данного наблюдателя основано на обычном отделении пространства от времени, причем сохраняется детерминистский характер описания. Сверх того, как было указано Эйнштейном, соответствующая различным наблюдателям координация событий в пространстве и времени такова, что она никогда не заменяет данную причинную последовательность событий на обратную. Поэтому теория относительности не только расширила область применимости, но и укрепила основы детерминистского описания, являющегося характерным для того величественного здания, которое именуется классической физикой.

С открытием Планком элементарного кванта действия началась, однако, новая эпоха в физических науках. Это открытие обнаружило свойственную атомным процессам черту цельности, идущую гораздо дальше старой идеи об ограниченной делимости материи. Стало ясно, что свойственное классическим физическим теориям наглядное картинное описание представляет идеализацию, применимую только к явлениям, которые удовлетворяют условию, что все величины размерности действия, встречающиеся в их анализе, настолько велики, что по сравнению с ними квантом действия можно пренебречь. В явлениях обычного масштаба это условие выполняется с избытком; напротив, в опытных данных, относящихся к атомным частицам, мы наталкиваемся на закономерности нового типа, не поддающиеся детерминистскому анализу. Эти квантовые законы обусловливают замечательную устойчивость атомных систем и определяют их реакции; тем самым они в конечном счете ответственны и за те свойства материи, от которых зависят наши способы наблюдения.

Задача, с которой столкнулись физики, состояла, таким образом, в том, чтобы рациональным образом обобщить классическую физику, гармонически включив в нее квант действия. После предварительного исследования полученных из опыта данных, произведенного более грубыми методами, эта трудная задача была в конце концов решена путем введения надлежащих математических абстракций. Так, в аппарате квантовой механики на месте величин, характеризующих в обычной механике состояние физической системы, выступают символические операторы, подчиненные некоммутативному правилу умножения, содержащему постоянную Планка. Эта формулировка предотвращает фиксирование такого рода величин с точностью, потребной для детерминистического описания, принятого в классической физике, но вместе с тем позволяет находить спектральное распределение этих величин в соответствии с данными об атомных процессах. Сообразно его не-модельному характеру, физическое толкование математического аппарата находит свое выражение в законах существенно статистического (вероятностного) типа, относящихся к результатам наблюдений, полученным в данных экспериментальных условиях.

Несмотря на то, что квантовая механика представляет могущественное средство для упорядочения огромного экспериментального материала, относящегося к атомным объектам, тот факт, что она так сильно отклоняется от привычных требований причинного объяснения явлений, естественно, дал повод поставить вопрос, действительно ли мы имеем здесь дело с полным описанием того, что дает опыт. Для ответа на этот вопрос, очевидно, требуется тщательное рассмотрение условий, необходимых для однозначного применения понятий классической физики к анализу атомных явлений. Решающим является здесь признание того положения, что описание экспериментальной установки и результатов наблюдений должно производиться на понятном языке, надлежащим образом усовершенствованном путем применения обычной физической терминологии. Это есть просто требование логики, так как под словом «эксперимент» мы можем разуметь единственно только процедуру, о которой мы можем сообщить другим, что нами проделано и что мы узнали.

В действительных экспериментальных установках выполнение такого рода требований обеспечивается тем, что в качестве измерительных приборов применяются твердые тела, достаточно тяжелые, чтобы можно было характеризовать их относительные положения и скорости чисто классическим образом. В связи с этим существенно иметь также в виду, что всякая однозначная информация об атомных объектах выводится из положения неисчезающих отметок на телах, определяющих экспериментальные условия, – отметок, подобных пятну на фотографической пластинке, вызванному ударом электрона. Необратимые усилительные эффекты, на которых основана регистрация наличия атомных объектов, не вносят при этом никаких особых затруднений, а только напоминают нам о том, что самое понятие наблюдения связано с существенной необратимостью. Описание атомных явлений имеет в этом отношении совершенно объективный характер, в том смысле, что оно обходится без явной ссылки на какого-либо индивидуального наблюдателя; по этой же причине передача информации не связана с какой-либо неоднозначностью, если только учитывать требования теории относительности.

Во всех этих отношениях проблема наблюдения в квантовой физике ни в какой мере не отличается от классического физического подхода. Существенно новой чертой анализа квантовых явлений является, однако, то, что вводится фундаментальное различие между измерительным прибором и изучаемыми объектами. Оно представляет прямое следствие необходимости описывать работу измерительных приборов на языке классической физики, не вводя явным образом кванта действия. С другой стороны, квантовые черты явления содержатся в выводимой из наблюдений информации об атомных объектах. В то время как в классической физике взаимодействием между объектом и прибором можно пренебречь или, если надо, можно его компенсировать, в квантовой физике это взаимодействие составляет нераздельную часть явления. Сообразно этому, однозначное описание собственно квантового явления должно, в принципе, включать описание всех существенных частей экспериментальной установки.

Повторение одного и того же опыта, характеризуемого как описано выше, дает, вообще говоря, разные отсчеты, относящиеся к объекту; этот факт непосредственно приводит к выводу, что обобщающая формулировка полученных из опыта результатов в этой области должна выражаться в форме статистических (вероятностных) законов. Едва ли нужно особо подчеркивать, что мы имеем здесь дело отнюдь не с чем-либо аналогичным обычному применению статистики к описанию физических систем, чересчур сложных для того, чтобы можно было практически дать полное определение их состояния, достаточное для детерминистского описания. Такое описание подразумевает возможность неограниченно подразделять и детализировать события, тогда как в случае квантовых явлений эта возможность принципиально исключается в силу требования конкретно указывать экспериментальные условия. В самом деле, типичная для собственно квантовых явлений черта цельности находит свое логическое выражение в том обстоятельстве, что всякая попытка определенным образом подразделить данное явление потребовала бы изменения в экспериментальной установке – изменения, несовместного с определением данного явления.

В области применимости классической физики все стороны и свойства данного объекта могут быть в принципе обнаружены при помощи одной экспериментальной установки, хотя на практике часто бывает удобно применять для изучения разных сторон явления разные установки. В самом деле, полученные таким путем данные просто складываются и могут быть скомбинированы в одну связную картину поведения изучаемого объекта. Напротив, в квантовой физике данные об атомных объектах, полученные при помощи разных экспериментальных установок, находятся в своеобразном дополнительном отношении друг к другу. Действительно, следует признать, что такого рода данные, хотя и кажутся противоречащими друг другу при попытке скомбинировать их в одну картину, на самом деле исчерпывают все, что мы можем узнать о предмете. Отнюдь не ограничивая наши стремления задавать природе вопросы в форме экспериментов, понятие дополнительности просто характеризует возможные ответы, получаемые в результате такого исследования в том случае, когда взаимодействие между измерительным прибором и объектом составляет нераздельную часть явления.

Разумеется, классическое описание экспериментальной установки и необратимость отсчетов, относящихся к атомному объекту, обеспечивают последовательность между причиной и следствием в соответствии с очевидным и элементарным требованием причинности. В то же время окончательный отказ от классического идеала детерминизма находит себе яркое выражение в соотношениях дополнительности, представляющих условия для однозначного применения основных понятий, безусловное и неограниченное применение которых составляет основу классического описания. В самом деле, для констатации наличия атомной частицы в ограниченной области пространства и времени требуется экспериментальное устройство, связанное с переносом количества движения и энергии к телам, подобным неподвижным масштабам и синхронно идущим часам; а этот перенос не может быть включен в описание работы упомянутых приборов без отказа от их пригодности к выполнению их роли фиксировать систему отсчета. Обратно, всякое строгое применение к атомным процессам законов сохранения количества движения и энергии предполагает в принципе отказ от детальной локализации частиц в пространстве и времени.

Эти обстоятельства находят себе количественное выражение в соотношениях неопределенности Гейзенберга. Последние дают связь (обратную пропорциональность) между неточностями допустимого в квантовой механике фиксирования тех кинематических и динамических переменных, которыми в классической механике определяется состояние физической системы. Действительно, некоммутативность математических символов, которыми в аппарате квантовой механики представлены эти переменные, соответствует несовместимости экспериментальных установок, необходимых для их однозначного определения. В связи с этим заметим, что мы, очевидно, имеем здесь дело не с ограничениями точности измерений, а с ограниченной применимостью пространственно-временных понятий и динамических законов сохранения; эта ограниченная применимость связана с необходимостью проводить различие между измерительными приборами и атомными объектами.

При рассмотрении задач атомной физики для выполнения конкретных вычислений удобнее всего пользоваться шредингеровской функцией состояния. Путем применения определенных математических операций из этой функции могут быть выведены статистические законы для результатов наблюдений, получаемых при определенных условиях. Следует, однако, признать, что мы имеем здесь дело с чисто символическим приемом, однозначная физическая интерпретация которого требует в последнем счете ссылки на определенную экспериментальную установку. Неучет этого обстоятельства приводил иногда к недоразумениям. В частности, применение таких выражений, как «наблюдение возмущает явление» или «измерение создает физические атрибуты объектов», едва ли совместно с общепринятым значением употребляемых терминов и с обычным словоупотреблением.

В связи с этим поднимался даже вопрос, не следует ли в целях более точного представления сложившейся ситуации прибегнуть к многозначной логике. Предыдущие рассуждения показывают, однако, что какие бы то ни было отклонения от общепринятого языка и обычной логики полностью устраняются, если употреблять слово «явление» только в смысле чего-то такого, о чем возможно однозначным образом информировать; слово «измерение» должно при этом употребляться в своем прямом смысле количественного сравнения (сравнения с эталоном). Такая осторожность в выборе терминологии особенно важна при исследованиях в новой области, где информация не может быть заключена в привычную схему, нашедшую столь широкое применение в классической физике.

Только имея все это в виду, можно убедиться в том, что квантовая механика удовлетворяет в отношении своей непротиворечивости и полноты всем требованиям, какие можно предъявить к рациональному объяснению. Так, для непротиворечивого толкования аппарата квантовой механики существенно исходить из отсчетов, делаемых на приборах при вполне определенных условиях опыта. Этот упор на конкретные отсчеты приборов становится на место основной предпосылки классического физического описания, согласно которой каждое звено в причинной цепи событий допускает в принципе непосредственную проверку. Полнота же описания, подобная той, к какой стремилась классическая физика, достигается принципиальной возможностью принимать во внимание все мыслимые экспериментальные установки.

Разумеется, такого рода рассуждения вовсе не означают, что атомная физика не принесет нам больше ничего нового в отношении экспериментальных открытий и математических средств для их описания и понимания. В самом деле, весьма возможно, что для объяснения новых закономерностей, открывающихся при исследовании атомных процессов весьма большой энергии, потребуется ввести в математический аппарат дальнейшие абстракции. Решающим является, однако, то обстоятельство, что при этом не может быть и речи о возвращении к такому способу описания, которое в большей степени шло бы навстречу привычным требованиям наглядного модельного представления связи между причиной и следствием.

Тот факт, что квантовые закономерности не могут быть проанализированы в классическом духе, обусловливает, как мы видели, необходимость ввести при описании того, что мы узнаём посредством опыта, логическое различие между измерительными приборами и атомными объектами – различие, принципиально исключающее возможность исчерпывающего детерминистского описания. Резюмируя, можно сказать, что более широкие рамки дополнительности отнюдь не означают произвольного отказа от идеала причинности. Понятие дополнительности непосредственно выражает наше положение в вопросе об отображении фундаментальных свойств материи, которые считались подлежащими классическому физическому описанию, но оказались вне пределов его применимости.

При всех различиях в ситуациях, характерных для применений понятий относительности и дополнительности, эти ситуации представляют в гносеологическом отношении значительное сходство. В самом деле, в обоих случаях мы имеем дело с исследованием закономерностей, которые не могут быть охвачены наглядными представлениями, пригодными для отображения физических фактов из более ограниченной области. Решающим является, однако, то обстоятельство, что ни в одном из этих случаев расширение рамок наших понятий не предполагает какой-либо ссылки на наблюдающий субъект (эта ссылка была бы препятствием для однозначной передачи опытных фактов).

В рассуждениях теории относительности такая объективность обеспечивается учетом зависимости явлений от системы отсчета наблюдателя, тогда как в дополнительном описании какая-либо субъективность исключается благодаря учету тех обстоятельств, которые делают однозначным применение наших первичных понятий.

В общефилософском аспекте знаменательно здесь то, что в отношении анализа и синтеза в других областях знания мы встречаемся с ситуациями, напоминающими ситуацию в квантовой физике. Так, цельность живых организмов и характеристики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания. Передача опытных фактов в этих обширных областях знания требует богатого словаря, а из-за того, что словам иногда придается различный смысл, и прежде всего из-за различия в принятых в философской литературе толкованиях понятия причинности, цель такого рода сопоставлений часто понималась превратно. Но постепенно развитие терминологии, пригодной для описания более простой ситуации в области физики, показывает, что мы имеем здесь дело не с более или менее туманными аналогиями, а с отчетливыми примерами логических связей, которые в разных контекстах встречаются в более широких областях знания.

1959

Квантовая физика и биология

В ходе развития науки дискуссия о положении живых организмов в общем описании физических явлений прошла через целый ряд этапов. В древности очевидные неувязки, присущие сравнению живых организмов с простыми машинами, глубоко повлияли на отношение к механическим проблемам и даже привели к тому, что всякой материи стали приписывать жизненные признаки. Во времена Возрождения в результате выяснения начал классической механики эти взгляды были отброшены, и тем самым проблема вступила в другой этап своего развития, ускоренный великими открытиями этой эпохи в анатомии и физиологии.

Новейшие успехи техники, и в особенности развитие автоматического управления промышленными предприятиями и усовершенствование вычислительных устройств, заставили заново обсудить вопрос о том, в какой мере возможно конструирование механических или электрических моделей со свойствами, имитирующими поведение живых организмов. Конечно, может быть, и можно придумать модели, реагирующие любым заданным образом, включая свое собственное воспроизводство, если только они будут иметь доступ к нужным материалам и энергии. Оставляя в стороне вопрос о научной ценности таких сравнений, мы должны, однако, понять, что, изучая модели заданной конструкции и с заданными функциями, мы находимся очень далеко от той ситуации, в которой мы оказываемся при исследовании живых организмов, где наша задача состоит в постепенном разгадывании их строения и их возможностей.

Во всякой модели обычного масштаба мы можем, по существу, пренебрегать атомным строением материи и ограничиваться описанием механических и электрических свойств материалов, использованных при сооружении машины, а также приложением простых законов, которые управляют взаимодействием между разными ее частями. Однако из биологических исследований ясно, что основные признаки живых организмов, и в частности их генетическое воспроизводство, зависят прежде всего от процессов атомного масштаба, где мы сталкиваемся с существенными ограничениями для применимости понятий классической физики.

Как известно, квантовая физика дает достаточно широкие возможности для описания свойств атомов, лежащих полностью вне той области, где допустим классический подход. Главный результат ее развития состоит в признании своеобразной устойчивости атомных и молекулярных структур, которая означает степень упорядоченности, несовместную с неограниченным применением механических картин. Из свойственного классической физике детерминистического описания следует, что всякое возмущение системы, состоящей из огромного числа частей, непременно приводит к хаотическому беспорядку. В квантовой же физике это описание заменяется таким, согласно которому результат всякого взаимодействия между атомными системами зависит от исхода соревнования между различными индивидуальными процессами; эти процессы простым образом определяют состояния новых систем через посредство содержащихся в них атомных частиц, подобно тому, как они определяли состояния первоначальных систем. С надлежащими уточнениями такого рода описание прямо соответствует химической кинетике, нашедшей широкое применение в молекулярной биологии.

Совсем новые перспективы постепенного разъяснения биологических закономерностей на основе прочно установленных принципов атомной физики появились за последние годы. Это произошло благодаря открытию поразительно устойчивых структур специального назначения, несущих генетическую информацию, а также благодаря все более полному проникновению в процессы, которыми эта информация передается. Эти открытия наводят на мысль, что образование и регенерация структурных составных частей организмов при обмене веществ должны рассматриваться как процессы, по существу, необратимого характера, которые на каждом этапе обеспечивают наибольшую возможную стабильность, совместную с имеющимися условиями в отношении обмена материалом и энергией.

Таким образом, у нас нет причины ожидать какого-либо внутреннего ограничения для применимости элементарных физических и химических понятий к анализу биологических явлений. Тем не менее своеобразные свойства живых организмов, выработанные в результате всей истории органической эволюции, обнаруживают скрытые возможности чрезвычайно сложных материальных систем, не имеющие себе подобных в сравнительно простых проблемах, с которыми мы встречаемся в обычных физике и химии. На этом-то фоне и нашли себе плодотворное применение в биологии понятия, относящиеся к поведению организма как целого и как бы противостоящие способу описания свойств неодушевленной материи.

Хотя и здесь мы имеем дело, в том, что касается употребления надлежащей терминологии, с типично дополнительными соотношениями, необходимо подчеркнуть, что аргументация, применяемая в биологии, некоторыми своими существенными сторонами отличается от той, какая применяется в целях исчерпывающего объективного описания в квантовой физике. Это описание требует четко различать измерительные приборы от исследуемых объектов, что влечет за собой во всяком сообщении об атомных процессах взаимное исключение строгого применения локализации в пространстве и времени и законов сохранения энергии. Но такое различение уже учитывается, как указано выше, в применениях химической кинетики и термодинамики. «Дополнительный» подход в биологии нужен скорее по другой причине: его требуют те практически неисчерпаемые скрытые возможности живых организмов, которые обусловливаются их чрезвычайно сложным строением и функциями.

1959

Открытое письмо Организации Объединенных Наций

Нильс Бор

Я обращаюсь к организации, основанной с целью содействия сотрудничеству между народами по всем проблемам, представляющим общий интерес, с некоторыми соображениями по поводу урегулирования международных отношений, которого требует современное развитие науки и техники. Открывая такие широкие перспективы для повышения благосостояния человека, это развитие в то же время отдает в его руки грозные средства разрушения и тем самым бросает всей нашей цивилизации весьма серьезный вызов.

Мое участие в англо-американском проекте исследований атомной энергии во время войны дало мне возможность изложить заинтересованным правительствам свои взгляды относительно надежд, которые связывались с осуществлением проекта, и той опасности для взаимоотношений между народами, которую это может повлечь за собой. Пока еще имелась возможность того, что переговоры в ООН дадут незамедлительные результаты и соглашение об атомной энергии, гарантирующее всеобщую безопасность, будет достигнуто, я неохотно принимал участие в общественных дебатах по этому вопросу. Однако в современной критической ситуации я думаю, что изложение моей точки зрения и моего опыта, возможно, будут содействовать возрождению дискуссий по этим вопросам, оказывающим такое глубокое влияние на международные отношения.

Представляя здесь свои взгляды, взгляды давно сформировавшиеся у ученого, непосредственно наблюдавшего за ходом развития в этой области, я выступаю исключительно по собственной инициативе и без консультаций с правительством какой-либо страны. Цель моего письма и излагающихся в нем соображений – указать на те исключительные перспективы дальнейшего развития взаимопонимания и сотрудничества между народами, которые открыли революционные изменения в возможностях человека, вызванные прогрессом науки, и подчеркнуть, что, несмотря на разочарование прежних лет, эти перспективы еще сохраняются и что на их реализации должны быть сосредоточены все надежды и все усилия.

Международное сотрудничество беспрецедентного размаха и силы имело решающее значение для современного быстрого развития науки, и, в частности, для смелых исследований свойств и строения атома. Плодотворный обмен опытом и идеями между учеными всего мира был великим источником вдохновения для каждого участника [исследований] и укреплял надежду, что всё более тесные связи между народами позволят им сотрудничать в деле прогресса цивилизации во всех ее аспектах.

Однако трудности поиска общего подхода ко многим проблемам человеческого общества не могли не производить глубокого впечатления на каждого, кто сталкивался с различиями в культурных традициях и общественном устройстве разных стран. Напряженность, возросшая перед Второй мировой войной, подчеркнула эти трудности и создала многочисленные препятствия свободному общению между народами. Тем не менее международное научное сотрудничество оставалось решающим фактором в развитии исследований, открывших незадолго до войны перспективу высвобождения атомной энергии в огромном масштабе.

Страх остаться позади для различных стран стал сильным стимулом для секретного исследования возможности использования таких источников энергии в военных целях. Я ничего не знал о совместном англо-американском проекте до тех пор, пока не приехал в Англию по приглашению английского правительства, вырвавшись осенью 1943 г. из оккупированной Дании. Именно тогда я был посвящен в это великое начинание, которое к тому времени уже продвинулось довольно далеко.

Конечно, каждый, кто участвовал в проекте исследований атомной энергии, осознавал те серьезные проблемы, которые должны были встать перед человечеством, когда дело будет завершено. Была очевидна не только та роль, которую атомное оружие может сыграть в войне, но и то обстоятельство, что возникнет постоянная серьезная угроза мировой безопасности, если не будет достигнуто всеобщее соглашение и не будут осуществляться меры, направленные на предотвращение злоупотребления этим новым грозным средством разрушения.

Что касается этой критической проблемы, то, как мне представлялось, сама необходимость согласованных действий по предотвращению этой зловещей угрозы для цивилизации открывает исключительные возможности для преодоления международных разногласий. Прежде всего, решающий вклад в атмосферу взаимного доверия, существенно важного для сотрудничества по многим другим вопросам, представляющим общий интерес, могли бы внести своевременные консультации между союзными державами о наилучших путях совместного достижения безопасности.

В начале 1944 г. мне была предоставлена возможность донести эти мои взгляды до внимания американского и английского правительств. В интересах взаимопонимания между народами, вероятно, следует изложить некоторые идеи, которые в то время стали предметом серьезных размышлений. С этой целью я могу привести выдержки из меморандума, представленного мной президенту Рузвельту и послужившего основой для продолжительной беседы с ним в августе 1944 г. Помимо обзора научных предпосылок проекта исследований атомной энергии, которые теперь широко известны, этот меморандум, датированный 3 июля 1944 г., содержал следующие соображения относительно политических последствий, которые может повлечь за собой осуществление этого проекта.

«Конечно, крайне трудно представить себе все последствия этого проекта в последующие годы, когда источники огромной энергии, которые появятся, по-видимому, приведут к революционным изменениям в промышленности и транспорте. Сейчас же первостепенное значение имеет тот факт, что создается оружие беспримерной силы, которое полностью изменит все условия ведения будущих войн.

Помимо вопроса о том, как скоро это оружие будет готово для применения и какую роль оно может сыграть в нынешней войне, эта ситуация ведет к возникновению многих проблем, требующих безотлагательного внимания. Действительно, если не будет своевременно достигнуто соглашение по контролю над использованием новых активных веществ, постоянная угроза для безопасности человечества может свести на нет любое временное преимущество, каким бы значительным оно ни представлялось.

С тех пор, как открылась возможность высвобождения атомной энергии в огромном масштабе, вопросу контроля, естественно, стало уделяться много внимания, но чем дальше продвигается исследование связанных с этим научных проблем, тем очевидней становится, что никакие обычные меры не будут достаточными для этого и что страшной перспективы конкуренции между государствами за овладение столь грозным оружием можно избежать лишь путем всеобщего соглашения, основанного на подлинном доверии.

В этой связи, прежде всего, важно, что это дело, каким бы огромным оно ни было, все же оказалось гораздо меньшим, чем можно было бы ожидать, и что по мере продвижения работы постоянно открывались новые возможности производства активных веществ и усиления их действия.

Поэтому предотвращение втайне нагнетаемого соперничества требует таких уступок в отношении обмена информацией и такой открытости (openness) при промышленных разработках, в том числе в военных приготовлениях, которые едва ли будут возможны, если все участники одновременно не будут иметь равную гарантию защиты от опасности небывалой силы.

Установление эффективных мер контроля, конечно, вызовет ряд сложных технических и административных проблем, но главное в том, что осуществление проекта, по-видимому, не только потребует нового подхода к проблемам международных отношений, но также, вследствие крайней необходимости взаимного доверия, будет способствовать такому подходу.

Настоящий момент, когда почти все народы вовлечены в смертельную борьбу за свободу и гуманизм, может, на первый взгляд, показаться наиболее неподходящим для какой-либо налагающей обязательства договоренности относительно проекта. Государства-агрессоры все еще обладают большой военной силой, хотя их первоначальные планы мирового господства сорваны и их окончательная капитуляция представляется несомненной, но даже когда это произойдет, государства, объединившиеся против агрессии, могут столкнуться с серьезными разногласиями, вызванными противоречиями в позиции по социальным и экономическим вопросам.

Однако при более близком рассмотрении оказывается, что именно в этих условиях возможности проекта как инструмента доверия приобретают очень актуальное значение. Более того, нынешняя ситуация в различных отношениях открывает беспримерные возможности, которые могут быть утрачены в случае отсрочки в ожидании дальнейшего развития военной обстановки и завершения работы над новым оружием.

В свете этих обстоятельств современная ситуация, по-видимому, очень благоприятна для своевременной инициативы, с которой должна выступить сторона, по случайному стечению обстоятельств достигшая первенства в борьбе за овладение могущественными силами природы, до сих пор человеку недоступными.

Не умаляя значения этого проекта для непосредственных военных целей, инициатива, направленная на предупреждение зловещего соперничества, должна содействовать искоренению любых причин недоверия между государствами, от мирного сотрудничества которых зависит судьба будущих поколений.

Действительно, каждая из сторон лишь тогда сможет убедиться в искренности намерений других сторон, когда объединенными нациями будет рассматриваться вопрос о том, на какие уступки готовы пойти разные страны, содействуя тем самым достижению соглашения о должном контроле.

Конечно, только ответственные государственные деятели могут увидеть фактические перспективы в политике. Однако очень хорошо, что надежды на будущее мирное международное сотрудничество, единогласно выраженные всеми сторонами в рамках объединенных наций, так замечательно согласуются с теми не известными общественности исключительными возможностями, которые были созданы прогрессом науки.

Многие доводы подкрепляют убеждение, что подход, направленный на создание системы общей защиты от зловещей угрозы и не исключающий ни один народ из участия в перспективном промышленном развитии, связанном с выполнением проекта, будут приветствоваться и что ответом на него будет лояльное сотрудничество в осуществлении необходимых мер широкого контроля.

В этом отношении полезную поддержку, вероятно, может оказать всемирное научное сотрудничество, в течение многих лет воплощавшее в себе радужные надежды на объединение усилий человечества. На этой основе личные связи между учеными разных стран могут даже стать средством установления предварительных, не налагающих никаких обязательств контактов.

Едва ли нужно добавить, что подобные замечания или предложения не подразумевают недооценки трудности и щекотливости шагов, которые должны будут предпринять государственные деятели для того, чтобы достичь соглашения, удовлетворяющего все заинтересованные стороны, но лишь призваны указать на некоторые аспекты ситуации, которые могут облегчить попытки поставить проект на длительную службу общему делу».

Сложность задачи государственных деятелей, конечно, усиливалась окружавшей проект секретностью, которая препятствовала осведомленности общественности о проекте и открытому обсуждению вопроса, оказывающего такое глубокое влияние на международные дела. Полностью осознавая чрезвычайный характер решений, связанных с предлагаемой инициативой, я тем не менее полагал, что будут утрачены большие возможности, если проблемы, порожденные развитием атомных исследований, не будут включены в планы союзных наций для послевоенного мира.

Эта точка зрения была развита в дополнительном меморандуме, где также обсуждались технические вопросы, связанные с мерами по обеспечению контроля. В частности, я пытался подчеркнуть, что уже сама взаимная открытость, явно необходимая сейчас для общей безопасности, будет содействовать достижению понимания между народами и расчистит путь для прочного сотрудничества. Помимо замечаний, сегодня уже не представляющих интереса, этот меморандум от 24 марта 1945 г. содержит следующие отрывки:

«Прежде всего, следует понять, что мы стоим лишь перед началом развития [исследований] и что, вероятно, в самое ближайшее время будут найдены средства, позволяющие упростить методы производства активных веществ и усилить их действие до такой степени, что любая страна, обладающая большими промышленными ресурсами, сможет овладеть силами разрушения, превосходящими все прежние ожидания.

Таким образом, человечество столкнется с беспрецедентной опасностью, если своевременно не будут приняты меры по предупреждению глобальной конкуренции в области такого грозного вооружения и установлению международного контроля над производством и использованием высокоактивных материалов.

Как подчеркивалось в меморандуме, любое соглашение, обеспечивающее защиту от секретной подготовки к овладению новыми средствами разрушения, потребовало бы чрезвычайных мер. Действительно, не только был бы необходим всеобщий доступ к полной информации о научных открытиях, но также любое крупное техническое начинание, будь оно промышленным или военным, должно было бы стать открытым для международного контроля.

Большое значение в этой связи имеет тот факт, что особый характер усилий, которые независимо от технических усовершенствований потребуются для производства активных веществ, и специфические условия, определяющие их использование как опасных взрывчатых веществ, существенно облегчат такой контроль и обеспечат его эффективность, правда, лишь в том случае, если будет гарантировано право надзора.

Детальные предложения по установлению эффективного контроля должны быть разработаны с помощью ученых и инженеров, назначенных заинтересованными правительствами, а на постоянную экспертную комиссию, подчиненную международной организации безопасности, могла бы быть возложена обязанность следить за новыми научно-техническими разработками и давать рекомендации по соответствующим изменениям в мерах контроля.

Исходя из рекомендаций технического комитета, организация сможет определить, при каких условиях может быть разрешена промышленная эксплуатация источников атомной энергии при должных мерах предосторожности против сосредоточения активного вещества до взрывчатого состояния…

Как обосновывалось в меморандуме, весьма благоприятным представляется факт, что меры, необходимые для того, чтобы найти выход из новой ситуации, порожденной развитием науки и вставшей перед человечеством в критический момент международной обстановки, так хорошо совпадают с надеждами на тесное международное сотрудничество в будущем, которые единогласно выразили все нации, объединившиеся против агрессии.

Более того, сама новизна этой ситуации дает исключительную возможность формирования непредубежденной позиции, и достижение взаимопонимания по этому жизненно важному вопросу, по-видимому, даже сможет самым благоприятным образом содействовать разрешению других проблем, где различие в точках зрения было обусловлено причинами исторического характера и традициями.

С учетом этих широких перспектив представляется, в частности, что свободный доступ к информации, необходимый для общей безопасности, будет иметь далеко идущие последствия в отношении устранения препятствий ко взаимной осведомленности о духовных и материальных аспектах жизни в различных странах, без которой едва ли возможно сохранение отношений уважения и доброй воли между народами.

Кроме того, участие в предприятии, инициатором которого в значительной мере явилось международное научное сотрудничество и которое открывает огромные возможности для повышения благосостояния человека, укрепило бы сложившиеся до войны тесные связи между учеными разных стран. В современной ситуации эти связи могут оказаться особенно полезными для установления [системы] контроля в свете совещаний между соответствующими правительствами.

В ходе предварительных консультаций между правительствами, призванных, прежде всего, установить доверие и ослабить тревогу, непременно должен быть рассмотрен вопрос о том, какова будет позиция каждого участника, если те возможности, которые открывает прогресс физики и которые в общих чертах широко известны, будут реализованы в такой мере, что потребуются исключительные действия…

При всех условиях взаимопонимание обязательно было бы достигнуто, если бы у партнеров была возможность для того, чтобы обдумать последствия отказа принять предложение о сотрудничестве и убедиться в преимуществах соглашения, гарантирующего общую безопасность и в то же время никого не исключающего из участия в перспективном использовании новых источников материального процветания.

Однако все эти возможности могут быть утрачены, если инициатива не будет проявлена в то время, когда вопрос еще может рассматриваться в духе дружеских консультаций. Отсрочка в ожидании дальнейшего развития, в особенности если подготовка к конкурентной борьбе тем временем продвинется достаточно далеко, может уподобить этот подход попытке давления, на которое не согласится ни одна великая нация…

Едва ли нужно подчеркивать, как в любом отношении было бы хорошо, если бы, когда мир узнает о грозной разрушающей силе, находящейся в руках человека, ему одновременно сообщили, что это великое достижение науки и техники помогло создать прочную основу для будущего мирного сотрудничества между народами».

Когда я обращаюсь к тем дням, мне трудно достаточно живо передать страстную надежду на то, что прогресс науки положит начало новой эре мирного сотрудничества между народами, и беспокойство, что какая-то возможность содействия такому ходу событий будет упущена.

Вплоть до конца войны я всеми доступными ученому путями стремился подчеркнуть значение осознания в полной мере политических последствий этого проекта и отстаивал ту точку зрения, что прежде, чем может возникнуть вопрос об использовании атомного оружия, должно быть положено начало международному сотрудничеству по устранению новой угрозы мировой безопасности.

Я уехал из Америки в июне 1945 г., до того, как были проведены заключительные испытания атомной бомбы, и находился в Англии, когда в августе 1945 г. было официально объявлено о применении этого оружия. Вскоре после этого я вернулся в Данию и с тех пор не был связан ни с какими секретными военными или промышленными проектами в области атомной энергии.

Когда война окончилась и исчезла великая угроза порабощения столь многих народов, весь мир испытал огромное облегчение. Тем не менее политическая ситуация была полна зловещих предзнаменований. Расхождения во взглядах на будущее между странами-победительницами неизбежно усиливали противоречия по вопросам, связанным с мирным урегулированием. В противоположность надеждам на будущее плодотворное сотрудничество, выраженным всеми сторонами и нашедшим воплощение в Уставе Организации Объединенных Наций, вскоре стало очевидным отсутствие взаимного доверия.

Недоверие и беспокойство усиливалось созданием новых препятствий на пути свободного обмена информацией между странами. В науке, в особенности в области ядерной физики, сохранявшаяся секретность и ограничения, считавшиеся необходимыми по причинам безопасности, в такой степени мешали международному сотрудничеству, что мировое сообщество ученых разделилось на отдельные лагеря.

Несмотря на все попытки, переговоры в ООН до сих пор не принесли успеха в заключении соглашения относительно мер по устранению опасности, связанной с атомным вооружением. Бесплодность этих переговоров, вероятно, как ничто другое, сделала очевидным, что конструктивный подход к таким жизненно важным вопросам, представляющим общий интерес, требует атмосферы большего доверия.

Подлинное улучшение обстановки в мире едва ли мыслимо без свободного доступа ко всей информации, имеющей значение для взаимоотношений между народами. Правда, некоторая степень взаимной открытости предусматривалась как составная часть соглашений по атомной энергии, но все более явным становился тот факт, что для того, чтобы подготовить почву для таких договоренностей, должны быть сделаны первые решающие шаги к открытости.

В той обстановке, которая сегодня преобладает в мире, идеал открытого мира с общей информированностью о социальных условиях и технических предприятиях, в том числе о военных приготовлениях в каждой стране, может показаться весьма отдаленной перспективой. Тем не менее такие отношения между народами, несомненно, потребуются для подлинного сотрудничества в деле развития цивилизации; и даже совместное заявление о приверженности этому курсу создало бы весьма благоприятные условия для согласованных действий по обеспечению всеобщей безопасности. Более того, мне казалось, что страны, бывшие первооткрывателями в этой новой области развития техники, обладая важной информацией, имеют особую возможность выступить с инициативой, прямо предложив полную взаимную открытость.

Я счел уместным изложить эти взгляды американскому правительству, не поднимая этот щекотливый вопрос публично. Поэтому во время поездок в Соединенные Штаты в 1946 и 1948 гг. для участия в научных конференциях я воспользовался этой возможностью для того, чтобы предложить эту инициативу американским государственным деятелям. Обращение здесь к меморандуму от 17 мая 1948 г., представленному госсекретарю в качестве основы для бесед в Вашингтоне в июне 1948 г., хотя и будет связано с повторением уже излагавшихся доводов, вероятно, позволит дать более ясное представление об обсуждавшихся идеях:

«Глубоко укоренившиеся расхождения в позициях по многим аспектам человеческих отношений, явившиеся результатом социальных и политических событий последних десятилетий, не могли не оказать серьезного воздействия на международные отношения после Второй мировой войны. Хотя во время войны действия по совместной обороне в значительной мере отвлекали от этих разногласий, было ясно, что осуществление надежд, провозглашенных всеми нациями, объединившимися против агрессии, надежд на искренне сотрудничество при подлинном доверии, потребует радикально нового подхода к международным отношениям.

Необходимость перестройки этих отношений еще больше подчеркнули великие научные и технические достижения, которые, открывая радужные перспективы повышения благосостояния человека, в то же время дают в его руки грозные средства разрушения. Действительно, если предшествующий прогресс техники приводил к признанию необходимости урегулирования [отношений] внутри цивилизованных обществ, то сегодня многочисленные барьеры между государствами, до сих пор считавшиеся необходимыми для защиты национальных интересов, очевидно, могут встать на пути общей безопасности.

Тот факт, что вызов, брошенный цивилизации, ставит перед народами вопрос большой общей значимости, дает исключительную возможность для поиска путей к устойчивому сотрудничеству по жизненно важным проблемам. Поэтому уже во время войны осознавалось, что благоприятная основа для последующих разработок может быть создана своевременной инициативой, направленной на достижение доверия на основе информированности всех партнеров о фактической ситуации, с которой, возможно, придется столкнуться, и готовности пойти на серьезные взаимные уступки относительно традиционных национальных прерогатив, которые могут потребоваться от каждой стороны.

В годы, прошедшие после войны, все более отчетливо проявлялись расхождения во взглядах, и одной из самых опасных черт современной ситуации является та степень, в которой преграды общению привели к искажению фактов и мотивов, результатом чего стало недоверие и подозрительность между нациями и даже между отдельными кругами внутри многих наций. В этих условиях надежды, возлагавшиеся на учреждение Организации Объединенных Наций, во многом не оправдались, в частности, оказалось невозможным достичь согласия в отношении контроля над вооружением, использующим атомную энергию.

В этой обстановке углубления раскола между государствами и возрастающей тревоги за будущее для изменения хода событий, по-видимому, необходимо обратиться к высшим устремлениям человечества. Предпосылкой решения этого важного вопроса, очевидно, должна стать позиция в защиту открытого мира (open world) с возможностью беспрепятственной общей информированности и взаимопонимания. Конечно, отношения уважения и доброй воли между народами невозможны без свободного доступа к информации по всем аспектам жизни в каждой стране.

Более того, надежды и опасения, связанные с достижениями техники, самым настоятельным образом подчеркивают необходимость решительных шагов к открытости как важнейшему условию прогресса и защиты цивилизации. Правда, понимание этого момента заложено в предложениях по урегулированию сотрудничества в области разработки новых ресурсов, представленных Комиссии ООН по атомной энергии, но именно трудность достижения соглашения в современных международных условиях подсказывает необходимость сосредоточить вопрос более непосредственно на проблеме открытости.

При таких обстоятельствах самое пристальное внимание, очевидно, должно быть уделено возможным последствиям выдвинутого в подходящий момент предложения о незамедлительных мерах по обеспечению открытости на взаимной основе. Такие меры должны будут соответствующим образом обеспечивать доступ к информации любого требуемого типа об условиях и разработках в различных странах и тем самым позволят партнерам правильно оценить ту фактическую ситуацию, с которыми они сталкиваются.

Может показаться, что такого рода инициатива выходит за рамки традиционной дипломатической осторожности; тем не менее следует учитывать тот факт, что если бы эти предложения были бы приняты, это привело бы к радикальному улучшению обстановки в мире, причем открылись бы совершенно новые возможности для сотрудничества в атмосфере доверия и для достижения соглашения по эффективным мерам, направленным на устранение общей опасности.

Трудности, связанные с получением согласия, также не могут быть доводом против этой инициативы, поскольку независимо от непосредственной реакции само существование предложения такого рода должно глубоко повлиять на ситуацию в самом перспективном направлении. Действительно, всему миру была бы продемонстрирована готовность жить вместе со всеми другими народами в условиях, когда взаимоотношения и общая судьба определяются только чистосердечной убежденностью и положительным примером.

Такой подход, как ничто другое, привлек бы людей всего мира, борющихся за основные права человека, и значительно укрепил бы нравственные позиции всех сторонников подлинного международного сотрудничества. В то же время те, кто не пожелал бы вступить на предлагаемый путь, были бы поставлены в положение, которое им трудно было бы отстаивать, поскольку такая оппозиция была бы равносильна признанию отсутствия веры в правоту своего собственного дела, если бы оно было раскрыто миру.

В общем, если требование открытости будет сделано вопросом первостепенной важности, тем самым будут созданы совершенно новые возможности, которые при целенаправленном осуществлении могут далеко продвинуть человечество на пути реализации такого сотрудничества в деле прогресса цивилизации, которое сегодня как никогда актуально и, несмотря на существующие препятствия, как никогда достижимо».

Соображения, изложенные в этом меморандуме, могут показаться утопическими, и то, что правительства не решаются продемонстрировать свою приверженность курсу полной взаимной открытости, возможно, объясняется трудностями, связанными с анализом последствий нетрадиционного образа действий. Тем не менее в таком курсе глубоко заинтересованы все государства, независимо от различий в общественном и экономическом строе, и надежды и устремления, которые я пытался выразить в меморандуме, несомненно, разделяют люди во всем мире.

Хотя сказанное здесь еще раз подчеркивает те общепризнанные трудности, с которыми столкнулся каждый народ в результате совпадения колоссального сдвига в международных делах и подлинной революции в технических средствах, отнюдь не имелось в виду, что в данной ситуации не заложены исключительные возможности. Напротив, цель сказанного – указать на необходимость пересмотра каждой стороной путей и способов сотрудничества с тем, чтобы избежать смертельной угрозы цивилизации и обратить прогресс науки на благо всего человечества.

В последние годы политические события в мире привели к росту международной напряженности, в то же время широко распространились смятение и беспокойство, вызванные перспективой соперничества между великими державами за овладение средствами, позволяющими полностью уничтожить население на больших территориях и даже сделать отдельные регионы на земле временно непригодными для жизни.

Поскольку для человечества едва ли может стоять вопрос об отказе от возможности улучшения материальных условий с помощью источников атомной энергии, для того, чтобы цивилизация уцелела, безусловно необходимо радикальное урегулирование международных отношений. Решающий момент здесь заключается в том, что любая гарантия применения прогресса науки исключительно на благо человечества предполагает такое же отношение, как то, которое необходимо для сотрудничества между народами во всех сферах культуры.

И в других областях науки последние достижения поставили нас перед ситуацией, сходной с той, которая была создана развитием атомной физики. Даже медицина, открывающая такие радужные перспективы для охраны здоровья людей во всем мире, создала средства уничтожения жизни в ужасающем масштабе, которые будут означать серьезную угрозу цивилизации, если прочно не утвердятся отношения всеобщего доверия и ответственности.

Эта ситуация требует самой непредубежденной позиции по всем вопросам международных отношений. В самом деле, в наше время более чем когда-либо необходимо правильное понимание нравственного долга и ответственности, вытекающих из мировой гражданственности. С одной стороны, прогресс науки и техники неразрывно связал между собой судьбы всех народов, с другой стороны, решительное стремление к национальному самоутверждению и социальному развитию осуществляется в различных частях нашей планеты на весьма различной культурной почве.

Целью, которую следует поставить превыше всего, должен быть открытый мир, в котором место каждой нации будет определяться только тем вкладом, который она может внести в общую культуру, и ее помощью другим народам своим опытом и ресурсами. Однако пример такого рода будет иметь силу лишь в том случае, если исчезнет разобщенность и будут разрешены свободные дискуссии по проблемам культурного и социального развития, пересекающие все границы.

Граждане любого общества могут вместе бороться за общее благосостояние только на основе широко доступной осведомленности об условиях жизни в стране. Точно так же реальное сотрудничество между государствами по проблемам, представляющим общий интерес, предполагает свободный доступ ко всей информации, имеющей значение для их отношений. Любые соображения в пользу ограничения обмена информацией и общения, в основе которых лежит забота о национальных идеалах или интересах, следует соизмерять с положительным воздействием общей информированности и ослабления напряженности, являющихся результатом открытости.

В поиске гармоничной взаимосвязи между жизнью отдельной личности и структурой сообщества всегда оставались и всегда будут оставаться многочисленные проблемы, требующие раздумья, и принципы, к которым нужно стремиться. Однако для того, чтобы народы могли извлечь пользу из опыта других народов и чтобы избежать взаимного непонимания намерений, повсеместно должен быть обеспечен свободный доступ к информации и неограниченная возможность обмена идеями.

В этой связи следует признать, что в тех странах, где новые социальные структуры создаются во временной изоляции, отмена барьеров повлекла бы за собой бóльшие изменения в административной практике, чем там, где имеются давние традиции системы управления и международных контактов. Поэтому настоятельным требованием должна стать общая готовность помочь всем народам в преодолении трудностей такого рода.

Сегодня развитие техники достигло такого этапа, на котором средства связи позволяют превратить все человечество в единое взаимодействующее целое и на котором в то же время возможны фатальные последствия для цивилизации, если международные разногласия не будут разрешаться путем совещаний, основанных на свободном доступе ко всей относящейся к делу информации.

Уже тот факт, что знания сами по себе лежат в основе цивилизации, непосредственно указывает на открытость как на путь к преодолению современного кризиса. Какие бы международные юридические и административные органы ни были в конечном счете созданы для стабилизации международного положения, следует понимать, что лишь полная взаимная открытость сможет эффективно содействовать установлению доверия и гарантировать общую безопасность.

Любое расширение границ нашего знания, создавая возможность формирования условий жизни человека, тем самым налагает повышенную ответственность на отдельных людей и на народы. Убедительное предостережение в этом отношении, которое мы получили в наше время, не может быть оставлено без внимания и не может не привести к общему пониманию серьезности той задачи, которая стоит перед всей нашей цивилизацией. Именно на этой основе и существуют сегодня совершенно исключительные возможности для расширения сотрудничества между народами в деле прогресса культуры во всех ее аспектах.

Я обращаюсь к Объединенным Нациям с этими соображениями в надежде, что они могут содействовать поиску реального подхода к серьезным актуальным проблемам, стоящим перед человечеством. Изложенные здесь доводы позволяют предположить, что любая инициатива с какой бы то ни было стороны, направленная на устранение препятствий для свободного обмена информацией и общения, имела бы огромное значение для поиска выхода из того тупика, в котором мы находимся сегодня, и вдохновила бы и другие народы на действия в этом же направлении. Потребуются усилия всех сторонников международного сотрудничества, как отдельных лиц, так и целых народов, чтобы создать во всех странах мнение, выражающее со все большей определенностью и силой требование открытого мира.

Энрико Ферми

Создание первого ядерного котла[15]

В течение многих лет было известно, что в атомных ядрах содержится огромный запас энергии и что освобождение этой энергии не противоречит ни закону сохранения энергии, ни другим общепринятым основным законам физики. Признавая этот факт, физики все же вплоть до недавнего времени придерживались мнения, что освобождение ядерной энергии в крупных масштабах не может быть достигнуто, если только не будут открыты какие-то новые явления.

Причины такого несколько пессимистического отношения состояли в следующем. Вообще говоря, существуют два типа процессов, в которых могла бы высвобождаться ядерная энергия. Во-первых, если два ядра окажутся в тесном контакте, то между ними будут происходить различные спонтанные ядерные реакции, при которых выделяется энергия. По-видимому, наипростейшим примером из многих возможных является обычный водород. Если приблизить друг к другу два ядра водорода, то они могут вступить в самопроизвольную реакцию, образуя ядро дейтерия и испуская позитрон. При таком процессе освобождается энергия в количестве около 1,4 МэВ, что эквивалентно 1,6 × 10 калорий на грамм, т. е. примерно в два миллиона раз больше энергии, выделяющейся при сгорании того же количества угля. Однако водород не является ядерной взрывчаткой, так как при обычных условиях ядра водорода никогда не смогут вступить в контакт друг с другом вследствие отталкивания положительных электрических зарядов, свойственных ядрам. Тем не менее не существует теоретических соображений, запрещающих сближение ядер, которое и происходит, действительно, как при очень высоких температурах, так и при очень высоких давлениях. Однако такие температуры и давления находятся далеко за пределами, достижимыми с помощью обычных средств. Достаточно высокие температуры, при которых ядерные реакции могут протекать с заметной скоростью, действительно встречаются – во внутренних областях многих звезд и, в частности, Солнца. Общепризнанно, что основным источником энергии, излучаемой звездами, являются подобные реакции.

Другим возможным путем освобождения ядерной энергии является цепная реакция. При подавляющем большинстве ядерных превращений происходит испускание частиц (α-частиц, протонов или нейтронов), которые, в свою очередь, могут вызвать новые реакции. Тогда можно представить себе такое положение, когда в результате протекания первой реакции образуется достаточно много частиц, чтобы вызвать в среднем более одной подобной реакции. Если это так, то в каждом «поколении» возрастает число ядер, принимающих участие в реакции, и это происходит до тех пор, пока не «выгорит» значительная часть первоначального вещества. Цепная реакция будет развиваться или затухать в зависимости от того, больше или меньше единицы число новых процессов, происходящих под действием частиц, испущенных при первом процессе. Это число называется «коэффициентом размножения».

Для всех без исключения процессов, которые были известны до открытия деления в начале 1939 г., коэффициент размножения был исчезающе мал по сравнению с единицей. С открытием процесса деления появились новые возможности. Почти сразу после того, как стало известно об этом открытии, было высказано предположение, что отделившиеся друг от друга осколки ядра могут быть возбуждены настолько сильно, что из них могут «испаряться» нейтроны. Вскоре эта догадка была подтверждена экспериментами на обоих берегах Атлантики.

К весне 1939 г. стало широко известно, что при делении, происходящем в результате соударения нейтрона с ядром урана, может возникнуть несколько, вероятно около двух или трех, новых нейтронов. В то время многие физики полагали, что возможность осуществления цепной реакции с помощью деления урана заслуживает внимательного изучения.

Эта возможность порождала большие надежды и в то же самое время глубокую тревогу. В начале 1939 г. все понимали, что грозит война на уничтожение. Появились вполне обоснованные опасения, что скрытые в новых научных открытиях потрясающие военные возможности будут использованы нацистами раньше, чем это успеют сделать другие. Ни у кого в то время не было достаточных оснований, чтобы представить себе объем требующихся для этого усилий. Очень может быть, что цивилизация выжила благодаря тому, что для создания атомной бомбы потребовалось такое напряжение промышленности, которое во время войны было не по силам ни одной из воюющих сторон, за исключением Соединенных Штатов. Политическая ситуация того времени оказала непривычное действие на ученых. Отступая от своих традиций, они установили добровольную цензуру и стали рассматривать проблему как не подлежащую разглашению задолго до того, как ее важность была признана правительствами и секретность стала принудительной.

Возвращаясь к шагам, приведшим к получению цепной реакции, я хотел бы отметить, что в конце 1939 года из имевшейся тогда информации явствовало, что заслуживают внимания два подхода к решению этой задачи. Первым шагом в одном из них должно было служить выделение из обычного урана редкого изотопа 235, ответственного за деление урана медленными нейтронами. При таком выделении исключается паразитное поглощение нейтронов в распространенном изотопе 238; поэтому считалось, что, как только будет получен уран с высоким содержанием U^10235, будет легко осуществить и цепную реакцию. Действительная трудность состояла, конечно, в том, чтобы разделение изотопов осуществить в промышленных масштабах.

Другое направление, которое я и хотел рассмотреть в этом сообщении, исходило из применения естественного урана. Размещение этого вещества таким образом, чтобы смогла произойти цепная реакция, представляло, конечно, гораздо более трудную задачу, чем аналогичный вопрос для U^235. Действительно, надо очень бережливо использовать нейтроны, образовавшиеся в результате первичного деления, чтобы, несмотря на большое паразитное поглощение U^238, добиться положительного баланса нейтронов. Надо приложить все силы, чтобы сделать соотношение между полезным и паразитным поглощениями нейтронов как можно более благоприятным. Соотношение между этими поглощениями зависит от энергии нейтронов; если не вдаваться в детали, оно наиболее благоприятно для нейтронов малых энергий. Поэтому один из шагов состоит в замедлении нейтронов от их высокой начальной энергии, порядка 1 МэВ, до энергии теплового движения. В течение некоторого времени уже был известен простой процесс, помогающий достичь этой цели. Этот процесс основан на том очевидном факте, что когда быстрый нейтрон сталкивается с атомом и отскакивает от него, то некоторая часть энергии нейтрона теряется на отдачу атома. Для легких атомов, которым легче испытывать отдачу, эффект возрастает и достигает максимума для водорода, но он вполне заметен и для всех легких элементов.

Итак, для того чтобы замедлить нейтроны, уран должен быть распределен по объему, занимаемому удобным легким элементом. Казалось бы, что проще всего применить самый легкий элемент, водород, соединения которого (вода, парафин) было общепринято использовать для замедления нейтронов. Однако при дальнейших исследованиях обнаружилось, что водород не совсем подходит для этой цели. Это обусловлено тем, что ядра водорода способны заметно поглощать нейтроны, образуя при этом ядро тяжелого водорода, дейтерия. Поэтому при использовании водорода для замедления нейтронов появляется новый источник паразитного поглощения, который угрожает «съесть» небольшой положительный избыток нейтронов, необходимый для поддержания цепной реакции.

Поэтому надо рассматривать замедлители нейтронов из других легких элементов. По сравнению с водородом все они не так эффективны, но зато существовала надежда на уменьшение поглощения, что могло с избытком компенсировать этот недостаток. В 1939 г. свойства поглощения многих легких элементов были известны плохо. В литературе можно было найти лишь довольно неточные верхние пределы, и то для немногих случаев. Наиболее подходящими элементами тогда казались дейтерий в виде тяжелой воды, гелий, бериллий и углерод в форме графита.

При обсуждении выбора замедлителя в нашей группе, которая работала над этой проблемой в Колумбийском университете в течение 1939–1940 гг. и в которую входили Джордж Пегрэм, Лео Сцилард и Герберт Андерсон, мы пришли к выводу, что наиболее обещающие возможности открывает использование графита. Этот вывод был сделан главным образом потому, что графит можно было легко получить. Весной 1940 г. в Колумбийском университете мы начали экспериментальные исследования свойств графита, используя несколько тонн этого вещества, полученных нами через председателя Уранового комитета, д-ра Бриггса. Работа шла по двум направлениям: определялись характеристики поглощения нейтронов в графите и изучалась его эффективность как замедлителя нейтронов. Эксперименты проводились следующим образом. Из графита сооружалась квадратная колонна высотою несколько футов. На оси колонны помещался небольшой источник нейтронов – несколько граммов бериллия, смешанных с радоном или радием. Испущенные источником нейтроны диффундируют по колонне и постепенно замедляются до энергий теплового движения; они продолжают диффундировать и после этого, пока не будут поглощены или не выйдут за пределы колонны. С помощью детекторов, чувствительных к нейтронам различных энергий, были изучены пространственные и энергетические распределения нейтронов по всему объему колонны. Для интерпретации этих результатов служила математическая теория процесса диффузии. Такие исследования позволили разработать математический метод довольно точного расчета всей «истории жизни» нейтрона, начиная с момента его испускания, как быстрого нейтрона, и кончая его поглощением.

В то же самое время были начаты работы по определению избыточного числа нейтронов, испускаемых естественным ураном при поглощении теплового нейтрона. Так как значительная доля тепловых нейтронов, поглощаемых ураном, захватывается U^238 и не приводит к делению, то этот избыток оказывается не очень большим. Для того чтобы этот избыток остался положительным, позволяющим цепной реакции развиваться, чрезвычайно важно уменьшить до минимума возможные паразитные потери. Весьма существенного снижения паразитных потерь, происходящих во время замедления нейтронов, удается добиться с помощью простой уловки. Вместо того чтобы равномерно распределять уран по объему графита, его можно расположить в виде блоков, образующих в графите решетку некоторой подходящей конфигурации. При таком расположении уменьшается вероятность столкновения с атомом урана для еще не замедлившихся нейтронов, имеющих энергию, при которой паразитное поглощение особенно велико.

Работа над повышением эффективности этого метода, проводившаяся группой Колумбийского университета, была весьма существенным образом усилена сотрудничеством с новой исследовательской группой, созданной в Принстонском университете. К весне 1941 г. было накоплено достаточно сведений о деталях процесса, чтобы получить довольно ясное представление о важности различных факторов и о наилучших способах сведения к минимуму нежелательных эффектов.

Вообще говоря, в принципе возможно было бы измерить с большой точностью характеристики поглощения и рассеяния нейтронов для всех энергий и для всех необходимых веществ. Затем эти результаты можно было бы подставить в теоретические выражения, причем теория процесса должна быть разработана настолько тщательно, чтобы быть в состоянии предсказать достаточно точно, как поведет себя данная система. Иными словами, можно было бы пытаться получить ответ на вопрос, будет ли развиваться цепная реакция в данной системе, только с помощью вычислений. Практическая осуществимость такой программы не внушала особого доверия. Мы знаем теперь, что положительный избыток, который и делает возможной цепную реакцию, в уран-графитовой системе составляет всего несколько процентов. Поскольку в конечный результат входит множество величин, описывающих поглощение и образование нейтронов, ясно, что они по отдельности должны быть известны крайне точно, чтобы теоретические предсказания оказались возможны. Экспериментальные методы, разработанные к 1941 г., редко позволяли измерять свойства ядер с точностью лучше 10 %. Такие измерения не могли служить основой для вычислений, которые позволили бы получить надежный ответ на вопрос, возможна ли цепная реакция в системе из естественного урана и графита.

Если система имеет конечные размеры, то некоторое количество нейтронов ускользает из нее, диффундируя через граничные поверхности. Такая утечка нейтронов в принципе может быть сведена к нулю увеличением размеров системы. В 1941 г. было ясно, что даже если баланс нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции, и окажется положительным, то он будет настолько мал, что потребуется сооружение системы очень больших размеров, чтобы значительно уменьшить потерю нейтронов в результате утечки. Важное значение приобрела разработка методов, способных ответить на следующие вопросы: (1) Станет ли развиваться цепная реакция в системе урановых блоков, размещенных по графиту в виде решетки данного типа, если размеры системы будут бесконечно велики? (2) Если ответ на предыдущий вопрос положителен, то какие минимальные размеры потребуются в действительности для достижения цепной реакции? Такие минимальные размеры обычно называют критическими размерами котла. Метод подробных вычислений, основанный на измеренных значениях констант, не мог привести к цели – на это указывалось выше. Поэтому было необходимо разработать методы, которые давали бы ответ на поставленные вопросы более непосредственным образом.

Полагаясь лишь на силу и усердие, можно было бы начать сооружение системы данной структуры и продолжать это сооружение до тех пор, пока не будет фактически достигнута цепная реакция – или пока система, принявшая гигантские размеры, все-таки не откажется стать критической. Ясно, что такой метод потребовал бы громадных количеств материалов, времени и труда. К счастью, достаточно точный ответ на поставленные два вопроса возможно получить и с помощью довольно малого образца исследуемой структуры. Первые эксперименты такого типа, так называемые промежуточные или экспоненциальные эксперименты, были выполнены в Колумбийском университете летом и осенью 1941 г. Была создана решетчатая структура, состоявшая из банок с окисью урана, распределенных среди примерно 30 тонн графита. Снизу к этой структуре подводился первичный источник нейтронов и подробно исследовалось распределение нейтронов по объему структуры, которое затем сравнивалось с ожидаемым теоретически.

Результаты первого эксперимента были несколько расхолаживающими. Они указывали, что в системе данного типа, даже увеличенной до бесконечных размеров, баланс нейтронов будет все еще отрицательным, а выражаясь более точно – в каждом поколении будет теряться 13 % нейтронов. Несмотря на этот отрицательный ответ, надежда на успех не оставила нас. Действительно, можно было надеяться на значительные усовершенствования в первоначальной структуре, о которых будет рассказано ниже.

В начале 1942 г. все группы, работавшие над получением цепной реакции, были объединены в Металлургическую лабораторию Чикагского университета под общим руководством Артура Комптона. Там, в поисках улучшения условий первого опыта, в течение 1942 г. было выполнено около двадцати или тридцати экспоненциальных экспериментов. Улучшения шли по двум направлениям. Одно из них состояло в усовершенствовании размеров решетки, а второе – в использовании материалов лучшего качества. Оказалось, что и графит, и уран должны иметь необычайно высокую степень чистоты, так как паразитное поглощение элементов, обычно имевшихся в виде примесей к урану и графиту, вызывало потерю значительной части нейтронов. Проблема свелась к организации промышленного производства многих тонн графита и урана неслыханной ранее чистоты. Энергично развивалось также производство металлического урана. Вплоть до 1941 г. металлический уран производился в очень малых количествах и чаще всего сомнительной чистоты. Металлический уран выпускался по большей части в форме легковоспламеняющегося порошка, который в ряде случаев возгорался при контакте с воздухом. Спекание порошка в компактные блоки лишь немного уменьшало эти пирофорные свойства. Несколько таких блоков использовалось в экспоненциальных экспериментах, целью которых было получение информации о характеристиках систем, содержащих металлический уран. Пока шли эти опыты, блоки разгорелись настолько, что были горячими на ощупь, и мы побаивались, что они действительно могут сгореть до того, как будет окончен эксперимент.

К осени 1942 г. положение с производством материалов постепенно улучшилось. Объединенные усилия сотрудников Металлургической лаборатории и нескольких промышленных фирм помогли получать графит все лучшего и лучшего качества. Было организовано промышленное производство практически чистой окиси урана и получено некоторое количество литого металлического урана. Соответственно улучшились и результаты экспоненциальных экспериментов. Они показывали теперь, что, применяя эти сорта материалов более высокого качества, можно построить установку, в которой пошла бы цепная реакция.

Фактическое возведение первой такой установки было начато в октябре 1942 г. Было намечено построить решетчатую структуру шарообразной формы, поддерживаемую деревянной рамой. Эта структура должна была располагаться на кортах для игры в сквош[16] спортивного городка Чикагского университета. Поскольку мы были не совсем уверены в том, что намеченные размеры окажутся достаточно велики, то структура возводилась внутри громадной оболочки из прорезиненной ткани. Если бы потребовалось избавиться от паразитного поглощения в атмосферном азоте, то оболочка могла быть загерметизирована, что позволило бы выкачать из нее воздух. На деле эта предосторожность оказалась излишней.

Сооружение котла заняло несколько более месяца. В строительстве участвовало большое число физиков, в том числе У. Зинн, Г. Андерсон и Р. Вильсон. Все это время с помощью измерений интенсивности нейтронов, образующихся внутри котла, постоянно контролировалось приближение к критическим условиям, условиям наступления цепной реакции. Некоторое, очень небольшое, количество нейтронов образуется из урана спонтанно. Когда размеры системы приближаются к критическим, то каждый из этих нейтронов на протяжении нескольких поколений образует конечное число новых нейтронов. Действительно, когда коэффициент размножения котла составляет, например, 99 %, то каждый нейтрон образует в среднем сто поколений. Таким образом, по мере приближения к критическим размерам плотность нейтронов в котле возрастает и стремится стать бесконечной при достижении критического размера. Прослеживание возрастания плотности нейтронов является, следовательно, методом уверенной экстраполяции оценки критического размера.

Заметно раньше того, как размеры структуры приняли первоначально намечавшуюся величину, измерения плотности нейтронов показали, что критические условия будут вскоре достигнуты. Начиная с этого момента велось тщательное наблюдение за работой, позволявшее быть уверенным в том, что критичность не наступит внезапно, когда не будут приняты должные меры предосторожности. В оставленные специально щели в структуре были вставлены кадмиевые полосы (кадмий является одним из наиболее сильных поглотителей нейтронов). Поглощение в кадмиевых полосах было достаточно велико, чтобы при введении их в котел цепная реакция не могла начаться. Каждое утро кадмиевые полосы постепенно, одна за другой, удалялись и производилось измерение плотности нейтронов. По результатам измерения можно было судить, насколько далеко от условий критичности мы находились.

Утром 2 декабря 1942 г. результаты измерений указывали на то, что критические размеры слегка превзойдены и что в системе не происходит цепная реакция только из-за поглощения в кадмиевых полосах. Этим утром были осторожно удалены все кадмиевые полосы, кроме одной. Затем, внимательно следя за интенсивностью, мы стали постепенно выводить последнюю полосу. Судя по результатам измерений, можно было ожидать, что система станет критической при выдвижении последней полосы примерно на восемь футов. Когда было выдвинуто около семи футов, то интенсивность возросла до очень большого значения, но через несколько минут все-таки задержалась на конечном уровне. Распоряжение выдвинуть полосу еще на полтора фута было отдано с некоторым трепетом: делался решающий шаг. Когда полтора фута полосы были удалены из котла, интенсивность начала подниматься сначала медленно, затем быстрее, и продолжала возрастать, пока не стало ясно, что она действительно может стать бесконечно большой. Тогда в структуру были снова введены кадмиевые полосы и интенсивность быстро упала до очень малого уровня.

Этот прототип установки, использующей цепную реакцию, оказался очень легким в управлении. Можно было очень точно установить интенсивность ее работы на желаемом уровне. Оператору оставалось только смотреть за показаниями индикатора интенсивности и вдвигать кадмиевые полосы, если интенсивность обнаруживала тенденцию к возрастанию, или выдвигать их, если интенсивность падала. Управлять котлом так же легко, как вести автомобиль по прямой дороге, подправляя руль всякий раз, когда автомобиль склонен повернуть направо или налево. Через несколько часов тренировки оператор может без затруднений удерживать интенсивность реакции постоянной с точностью до доли процента.

Первый котел не содержал никаких устройств для отвода тепла, образующегося при реакции, и не имел защиты от излучения, возникающего при делении. По этим причинам мощность, при которой мог работать котел, имела только символическое значение; она никогда не превышала двухсот ватт. Тем не менее с помощью первого котла было доказано, что цепная реакция в системе из графита и естественного урана возможна и что она легко управляема.

Для превращения этого нового ремесла в отрасль промышленности потребовалось еще очень много научных и инженерных разработок. Благодаря совместным усилиям всех сотрудников Металлургического проекта и компании «Дюпон» всего лишь примерно через два года после опытного запуска первого котла в Хэнфорде заработали первые большие котлы-заводы. Они работают практически на том же самом принципе и производят огромное количество энергии и относительно большие количества нового элемента, плутония.

Вскоре у Ферми появилась еще одна возможность высказать публично свои взгляды на атомную энергию. Его пригласили выступить на состоявшемся с 16 по 18 мая 1946 г. в Питтсбурге форуме, посвященном сотой годовщине со дня рождения Джорджа Вестингауза. Этот форум, названный «Наука и жизнь на Земле», был организован Образовательным фондом Вестингауза с целью суммирования итогов научного развития за годы войны и обсуждения следствий из них.

Темой своего выступления па секции «Будущее атомной энергии» Ферми выбрал мирное использование атомной энергии. Возможность использования реакторов для получения различных видов энергии заинтересовала Ферми уже па ранней стадии исследований. Он понимал, что хотя при этом встретятся большие технические, экономические и особенно политические трудности, но использование нейтронов и радиоактивных веществ в научной методике может привести к существенному увеличению объема знаний в самых различных областях. Интересно, что он, как и предыдущий оратор, Р. Оппенгеймер, упомянул о предложении организовать международное агентство по контролю за атомной энергией. Многие ученые из числа тех, кто разрабатывал атомную бомбу, после войны признали необходимость международного контроля и настаивали на его создании.

Г. Андерсон

Атомная энергия для мирных целей

Темой моего выступления будет мирное использование атомной энергии. Эта тема более приятна для обсуждения, чем та, о которой говорил д-р Оппенгеймер[17]. Однако они настолько взаимосвязаны, что мы, к сожалению, не можем ожидать особенно плодотворных результатов для человечества от мирного использования атомной энергии, если не будет найдено удовлетворительного решения многочисленных проблем предотвращения разрушительного использования ее военных возможностей.

Если, приняв оптимистическую точку зрения – человечество окажется настолько сознательным, что сможет избегнуть опасностей атомного оружия и страха перед ним, – попытаться заглянуть в будущее, то можно задаться вопросом о возможных путях развития атомной энергии как созидающей силы.

Конечно, как вы понимаете, любые ответы на такой вопрос могут носить только крайне ориентировочный характер. Можно пытаться перечислить направления будущего развития, но невозможно сделать этот перечень даже приблизительно исчерпывающим.

Обсуждение я хотел бы начать с использования ядерных реакций для управляемого получения полезной мощности. Вот уже более трех лет работают использующие цепную реакцию котлы, скорость производства энергии в которых легко контролируется. Если при работе первого котла выделялось не более 200 Вт, то мощность последующих установок возросла в огромное число раз. Котлы, созданные в Хэнфорде для синтеза плутония, производят энергию в количествах, сравнимых с производительностью самых мощных гидроэлектростанций.

Однако в построенных до сих пор котлах энергия выделяется при таких низких температурах, что практически не может быть использована. Энергия хэнфордских установок фактически растрачивается на крайне неконструктивную цель – на нагревание (и то ненамного) воды в реке Колумбия.

Большинство из вас знает, я полагаю, что физической основой цепной реакции служит деление урана. Это явление было открыто незадолго до начала войны Отто Ганом и Штрассманом, работавшими в Берлине, и заключается в том, что при падении нейтрона на ядро урана оно испытывает весьма «насильственный» вид распада. Ядро расщепляется на два осколка, разлетающиеся с очень большими скоростями, и при этом выделяется относительно огромное количество энергии.

Но цепная реакция осуществляется вовсе не благодаря большому количеству выделяющейся энергии, а благодаря тому, что наряду с испусканием продуктов деления происходит испускание нескольких нейтронов. Если предположить, например, что при каждом акте деления испускается 2 нейтрона и что все образующиеся в системе нейтроны вызывают новые акты деления, то получатся условия, ведущие к цепной реакции взрывного характера. Действительно, если в систему описанного типа ввести 1 первичный нейтрон, то он произведет деление, и появятся 2 нейтрона. Каждый из них, в свою очередь, произведет 2 нейтрона и т. д.

Итак, число нейтронов будет удваиваться за каждый шаг, или «поколение». Поэтому их число будет быстро увеличиваться, так что реакция становится крайне интенсивной и выделяется огромное количество тепла. Такое внезапное высвобождение энергии приводит к атомному взрыву. О системе, подобной описанной, говорят, что ее коэффициент размножения равен 2, так как в каждом поколении 1 нейтрон вызывает появление 2 новых нейтронов.

При конструировании бомбы цель заключается в достижении условий, при которых энергия высвобождается как можно быстрее. Для этого требуется, чтобы время жизни поколения было как можно меньше, а число нейтронов в каждом поколении должно возрастать как можно больше. Для уменьшения времени жизни поколения надо использовать быстрые нейтроны. Для максимально возможного увеличения коэффициента размножения надо расположить вещества таким образом, чтобы к новым актам деления приводила максимальная доля нейтронов, т. е. чтобы получить наибольшее возможное число новых нейтронов.

Если же мы хотим получить управляемую цепную реакцию, то коэффициент размножения должен быть очень близок к 1; кроме того, отпадает необходимость в малых длительностях поколения. Действительно, сравнительно большие времена жизни поколения окажутся, пожалуй, более подходящими, так как при этом облегчится управление реакцией. Итак, для управляемой цепной реакции можно использовать медленные нейтроны.

Между бомбой и управляемой цепной реакцией имеется и более существенное различие. Быстрая реакция, используемая в бомбе, происходит на «драгоценном» делящемся веществе типа U, который выделяется из урана в Ок-Ридже, штат Теннесси, или плутония – нового элемента, производимого в Хэнфорде, штат Вашингтон.

Управляемая цепная реакция, напротив, может быть получена на естественном уране. Это вещество было использовано для получения первой цепной реакции по той простой причине, что «драгоценных» делящихся веществ тогда не было и в помине. Это вещество используется также во всех построенных до сих пор промышленных котлах. Естественный уран представляет собой, по существу, смесь U^235238, составляющего около 99,3 %, и U^235, составляющего около 0,7 %. Именно это ничтожное количество U^235 делает цепную реакцию возможной, так как бомбардировка U^235 медленными нейтронами не приводит к делению.

Цепную реакцию легко получить, если использовать чистый U^235, так как при этом отсутствует паразитное поглощение, связанное с U^238. При использовании естественного урана задача существенно усложняется, так как в этом случае положительный избыток нейтронов в каждом поколении настолько мал, что для получения коэффициента размножения, большего единицы, необходимо свести до минимума все неизбежные потери.

Итак, с этой точки зрения присутствие U^238 очень нежелательно. Но, с другой стороны, U^238 играет очень существенную роль в производстве плутония. Действительно, при реакции происходит преобразование U^238 в плутоний. Механизм этого преобразования описывается следующими ядерными процессами:

U^238 + n → U^239,

U^239 → Np^239 + е-,

Np^239 → Pu^239 + e-.

Первая из этих реакций описывает поглощение нейтрона ядром U^239, превращающегося при этом в изотоп U^239. Как указывается второй реакцией, U^239 является нестабильным изотопом урана, распадающимся с испусканием электрона и превращающимся в изотоп нового элемента, нептуния, с зарядом 93 и массой 239.

Превращение урана в нептуний занимает около получаса. Образовавшийся Np^239, как видно из третьей реакции, также нестабилен и распадается с испусканием электрона, превращаясь за несколько дней в конечный продукт реакции, Рu^239. Если рассмотреть суммарный баланс цепной реакции этого типа, то станет ясно, что U^235 будет постепенно расходоваться на поддержание реакции, а U^238 будет медленно превращаться в Рu^239.

Чтобы котел, использующий цепную реакцию, работал на постоянном уровне, коэффициент размножения должен быть равен 1. Если он больше 1, то интенсивность возрастает; если он меньше 1, то интенсивность падает. Поэтому оператор должен иметь возможность придать коэффициенту размножения любое желаемое значение вблизи 1. Для этого обычно используются так называемые «управляющие стержни». Эти стержни, сделанные из вещества, сильно поглощающего нейтроны, оператор может вводить в котел на точно определенную глубину.

Число нейтронов, поглощаемых стержнями и, значит, удаляемых из участия в реакции, зависит от той глубины, на которую введены стержни в котел. Следовательно, коэффициент размножения также будет зависеть от положения стержня. Он будет максимален, когда стержень выведен наружу, и минимален, когда стержень полностью введен внутрь котла.

Условия обычно подбираются таким образом, чтобы коэффициент размножения был равен 1 при некотором среднем положении стержня, называемом «критическим положением». При дальнейшем выдвижении стержня коэффициент размножения становится больше 1, а при введении стержня – меньше 1.

Если оператору надо увеличить скорость реакции, то стержень выдвигается из котла настолько, чтобы коэффициент размножения стал немного больше 1. Число нейтронов при этом постепенно возрастает. Если оператор хочет уменьшить скорость реакции, то все, что он должен для этого сделать, – это вдвинуть стержни в котел несколько дальше критического положения. Тогда коэффициент размножения становится меньше 1 и скорость реакции постепенно уменьшается. Если мощность должна оставаться на постоянном уровне, то оператор устанавливает стержни в критическое положение.

Из сказанного ясно, что задача управления скоростью реакции в котле принципиально очень проста. Опыт показал, что задача управления действительно может быть очень просто решена и на практике. Искусством сохранения режима работы котла неизменным можно полностью овладеть за несколько часов (независимо от того, для производства какого – большого или малого – количества энергии предназначен котел). Нетрудно также сохранить интенсивность котла на любом заданном постоянном уровне, если стержни будут перемещаться с помощью механических устройств, управляемых автоматически. В этом случае оператору остается только следить за панелью управления.

Главная техническая трудность, мешающая в настоящее время практическому использованию атомной энергии, состоит в следующем. Во всех построенных до сих пор установках, использующих цепную реакцию, выделение энергии происходит при очень низкой температуре. Это, несомненно, в значительной мере объясняется тем, что основная цель, преследовавшаяся при создании котлов во время войны, состояла не в выработке полезной мощности, а в производстве плутония. По этой причине не делалось никаких попыток сконструировать котел из материалов, способных выдержать очень высокие температуры, так как такие попытки, безусловно, задержали бы, и весьма значительно, достижение основной цели.

Важно отметить следующее. Температура, при которой может производиться энергия с помощью цепной реакции, насколько известно, практически ничем не ограничена. Действительно, существуют основания полагать, что при взрыве атомной бомбы могут быть получены температуры выше 1 000 000 градусов (Цельсия). Для установок, предназначенных для работы на постоянном режиме, практическое ограничение накладывается только тугоплавкостью используемых материалов. В этом смысле выбор материалов очень критичен, так как надо учитывать не только их способность выдерживать высокие температуры, но и вредное влияние, которое оказывает внесение посторонних материалов в котел на саму ядерную реакцию. Это вредное влияние обусловлено тем фактом, что большинство веществ в большей или меньшей степени поглощают нейтроны. Поэтому введение любого вещества (например, теплоносителя для отвода тепла от котла или оболочки труб, по которым подается теплоноситель) приводит к потерям нейтронов. Если эти потери настолько велики, что коэффициент размножения станет меньше 1, то реакция остановится.

Возникает вопрос: можно ли высвободить большое количество энергии?

Основным топливом в котлах Хэнфордского типа является U^235, составляющий всего 0,7 % по весу в естественном уране. Энергия урана, освобождающаяся при делении, приблизительно в 3 000 000 раз больше энергии того же весового количества угля. Если используется только 0,7 % урана, то практически величина этого отношения будет около 20 000. Эти числа говорят о важности разработки методов полного использования энергии урана.

В ближайшем будущем нахождение технического решения этой проблемы вряд ли станет весьма неотложной задачей, так как пока что существуют довольно большие урановые залежи, разработка которых требует сравнительно низких затрат. Однако если последующее развитие пойдет по пути получения больших количеств энергии с помощью U^235, то богатые залежи урана будут быстро выработаны и придется переходить к использованию очень бедных руд, что повлечет за собой возрастание стоимости основного вещества на несколько порядков. Естественно, что в этом случае полное использование энергии, запасенной в уране, станет гораздо более важной проблемой. С другой стороны, энергетическая значимость 1 фунта урана настолько велика, что даже огромное возрастание стоимости этого вещества может не помешать использованию его в качестве источника энергии. Три миллиона тонн угля, эквивалентные по энергетическому содержанию 1 тонне урана, стоят около 8 миллионов долларов. Поэтому в смысле стоимости сырья уран и уголь станут равноценными при цене на уран в 4000 долларов за фунт. До войны стоимость урана составляла около 2 долларов за фунт, так что даже при возрастании примерно в тысячу раз по сравнению с довоенной ценой она еще может остаться экономически выгодной.

Можно думать, что в ближайшие 20–30 лет общая схема производства атомной энергии будет, по-видимому, выглядеть следующим образом. В больших основных установках будет производиться громадное количество энергии, которая для нужд местного потребления будет превращаться в энергию пара или электричества. Помимо непосредственного производства энергии эти большие установки могут также вырабатывать плутоний. Он будет извлекаться и передаваться на малые установки для использования в них в качестве первичного топлива вместо урана. Широкое использование относительно маломощных установок явилось бы достоинством этого плана, так как при этом весьма значительно уменьшились бы трудности распределения.

Общая схема такого типа недавно обсуждалась в докладе Государственного департамента, который интересно прокомментировал д-р Оппенгеймер. Согласно этому докладу, большие основные установки, производящие плутоний, так же как и все источники урана и тория, должны находиться в распоряжении международного агентства, которое будет выделять или продавать «денатурированный» плутоний отдельным потребителям. Авторы доклада считают, что «денатурирование» плутония с тем, чтобы сделать его использование для военных целей весьма непростым и крайне трудоемким делом, вероятно, окажется возможным. Поэтому они выражают надежду на то, что будет возможно осуществлять лишь минимальный международный контроль над потребителями «денатурированного» плутония, не опасаясь тайного использования плутония для создания оружия.

Привлекательной чертой доклада является, на мой взгляд, то, что в нем отрицаются шансы на успех у системы, основанной на запрещениях и только на запрещениях. Я опасаюсь, однако, что оценка, данная в докладе трудностям предотвращения использования «денатурированного» плутония для военных целей, может быть истолкована общественным мнением несколько чересчур оптимистично. Нельзя отрицать тот факт, что возможность применения плутония для агрессивной войны представляет для промышленного использования атомной энергии гораздо большую трудность, чем любые предвидимые технические затруднения. Задача предотвращения такой возможности является по существу политической, а не технической, и я не вижу больших оснований надеяться на ее разрешение, если только в ближайшие годы не изменятся кардинально сами основы взаимоотношений между нациями.

Возвращаясь к техническим проблемам, я хотел бы упомянуть еще об одной особенности атомно-энергетических установок, которая может серьезно помешать широкому их распространению. В процессе деления, являющемся основой получения атомной энергии, выделяется не только энергия, но также и излучение различного типа (в частности, нейтроны и гамма-лучи). Если котел не окружен защитой, то исходящая от него радиация имеет настолько огромную интенсивность, что любое живое существо, оказавшееся около незащищенной работающей установки, очень скоро погибнет. Поэтому безусловной необходимостью является защита котла веществами, способными предотвратить распространение этого смертоносного излучения. В принципе при решении этой задачи не возникает никаких трудностей. Достаточно, например, окружить котел бетонной защитой толщиной в несколько футов, чтобы полностью исключить всякую опасность. Однако не существует способов уменьшения радиации, которые не использовали бы очень тяжелую защиту. Действительно, во многих обсуждавшихся конструкциях котла подавляющая часть общего веса установки падает на защиту. Необходимость экранирования котла тяжелой защитой не позволит осуществить несколько возможных вариантов использования атомной энергии. По-видимому, не удастся, например, сконструировать достаточно легкую энергетическую установку, которую можно было бы использовать в автомобиле или самолете обычных размеров. Самым миниатюрным передвижным агрегатом, на который можно будет установить атомно-энергетическую установку, явится, видимо, большой локомотив.

Подводя итоги проведенного обсуждения, можно определенно утверждать, что постепенное превращение энергии атома в один из основных источников потребляемой энергии технически осуществимо. Если такие ожидания оправдаются, то немаловажным достоинством может оказаться практически ничтожный вес топлива. Эта черта, в частности, может существенно облегчить энергоснабжение труднодоступных районов, расположенных вдали от угольных месторождений. Она может также оказаться весьма ценным качеством для передвижных энергоустановок, например для корабельных двигателей. Недостатком атомной энергии являются некоторые технические ограничения ее применимости. Наиболее серьезное из них состоит, видимо, в том, что невозможно создать легкую энергоустановку. Кроме того, при работе атомных установок появятся специфические трудности, как, например, необходимость иметь дело с высокорадиоактивными веществами, что повлечет за собой необходимость (по крайней мере, в течение некоторого заметного периода времени) пользоваться услугами специально подготовленного персонала. Но главным препятствием на пути развития атомной энергетики будет трудность организации крупномасштабного развития атомной промышленности при соблюдении условий международной безопасности. Здесь возникнут проблемы, решить которые будет гораздо труднее, чем осуществить необходимые технические усовершенствования. Потребуется огромная политическая мудрость, чтобы найти правильный путь между необходимостью рассеять международные опасения, возникающие при сохранении технических деталей в секрете, и между опасностью взвалить на мир, который, видимо, еще не готов отказаться от войны, груз подробностей способа изготовления ужасного нового средства войны. Кроме того, этот путь должен быть найден за относительно небольшое время, по истечении которого «секретные» сведения станут общеизвестными, так как они будут переоткрыты учеными и инженерами других стран.

Может возникнуть вопрос: мудро ли поступили ученые, преподнеся государственным деятелям всего мира эту ужасную задачу? В действительности же иного пути не было. После того как совершено некоторое кардинальное открытие, любые попытки задержать его воплощение были бы столь же тщетны и беспочвенны, как надежды на то, что Земля перестанет вращаться вокруг Солнца.

Использование атомной цепной реакции в мирных целях не исчерпывается производством энергии. Имеются и другие возможности, может быть, уступающие производству энергии по непосредственной экономической выгоде, но в конечном счете могущие оказаться наиболее плодотворным направлением развития. Работающий котел является средством получения радиоактивных веществ, активность которых на несколько порядков больше активности любого из ранее получавшихся источников. Часть этих радиоактивных веществ получается непосредственно в результате процесса деления: осколки, на которые расщепляется атом урана, представляют собой радиоактивные изотопы элементов средней части периодической системы. Эти радиоактивные элементы могут быть выделены химически. Другая часть радиоактивных веществ может быть получена следующим образом. При работе котла непрерывно испускается большое число нейтронов. Любое вещество, внесенное в котел, подвергается интенсивному облучению потоком этих нейтронов. Когда нейтрон попадает в ядро вещества, то происходят различные ядерные реакции, и многие из них приводят к образованию радиоактивных изотопов. Этим способом большинство элементов может быть получено в радиоактивной форме. Времена жизни полученных изотопов колеблются от долей секунды до нескольких тысяч лет. Среди наиболее важных искусственных радиоэлементов следует упомянуть углерод-14, живущий около трех тысяч лет. Радиоактивные вещества могут быть применены для самых различных целей. Испускаемое ими излучение эквивалентно излучению радия и может быть использовано для медицинских целей в гораздо большем масштабе, чем это было возможно с радием. Так, с точки зрения радиотерапии высказывалась надежда на то, что удастся использовать преимущества, которые сулит возможность получения самых различных химических элементов в радиоактивном виде: химические свойства можно будет применить для сосредоточения активного вещества в том органе, который подлежит облучению.

Еще бóльшие надежды возлагаются на возможность использования значительных количеств радиоактивных веществ в качестве индикаторов. Особенно заманчивым в этом смысле является, видимо, использование углерода-14 в качестве индикатора на углерод в исследованиях по органической химии и биохимии. Ожидается, что использование углерода-14 в биологии позволит легко проследить за реакциями с участием углерода в сложных химических процессах жизни. Можно надеяться, что углерод-14 будет достаточно доступен, чтобы оказалось возможным широко развернуть исследования в этом направлении.

И если то влияние, которое окажут на науку эти новые методы, приведет к более эффектным последствиям, чем экономичный и удобный источник энергии или ужасающая разрушительная сила атомной бомбы, то это не будет слишком удивительно.

Вернувшись в Чикаго после окончания войны, Ферми вновь обратился к замыслам 1943 г. – использованию интенсивного нейтронного пучка реактора СР-3, находившегося в старой Аргоннской национальной лаборатории. Присутствие Ферми в Чикаго повлияло на решение Комиссии по атомной энергии США выбрать участок вблизи Чикаго в качестве места для Аргоннской национальной лаборатории. Ферми и Л. Маршалл работали там с 1946 г., а весной 1947 г. к ним присоединился и я; мы регулярно, около трех раз в неделю, ездили на старый Аргоннский участок.

Одной из областей интересов Ферми было использование интерференции нейтронов для изучения структуры жидких и твердых тел. В результате на следующий год Оуэн Чемберлен стал делать диссертацию по дифракции нейтронов на жидких металлах (Phys. Bev., 1950, 77, 305).

В то время Ферми интересовали также измерения магнитных моментов радиоактивных ядер, которые в изобилии могли поставляться реактором. Он принялся за конструирование аппаратуры для исследования молекулярных пучков. Мы работали с ним над этой задачей до тех пор, пока не стало ясно, что только для размещения заказов на изготовление аппаратуры потребуется несколько месяцев. В конце концов его усилия привели к появлению в Аргоннской национальной лаборатории направления по молекулярным пучкам. Но прежде чем это направление стало приносить плоды, Ферми увлекся мезонной физикой.

Более продуктивной областью исследований Ферми в Аргоннской лаборатории было изучение фазовых сдвигов при рассеянии медленных нейтронов; это направление выросло из ранних экспериментов, делавшихся им с Андерсоном и Л. Маршалл (статьи 104 и 105). Кроме того, Ферми хотел получить пучок поляризованных нейтронов и занялся брэгговской дифракцией на магнетите. Однако он не стал продолжать работ с пучками поляризованных нейтронов, видимо, потому, что в Аргоннской лаборатории основные работы по этому направлению велись Д. Юзом и его сотрудниками.

Для всех экспериментов Ферми в Аргоннской лаборатории характерны сравнительная простота использованного оборудования и упор на физические идеи. Этот период времени великолепно продемонстрировал способность Ферми выбирать именно те области исследования, где его усилия были бы наиболее плодотворны.

А. Ваттенберг

Ниже следует дословная запись последней речи Энрико Ферми, с которой он выступил 30 января 1954 г. перед Американским физическим обществом (днем раньше он произнес прощальное президентское послание). Эта речь была произнесена без соблюдения формальностей и без конспекта; она записана с магнитофонной ленты и намеренно оставлена в неприглаженном, необработанном виде. Ферми, всегда очень требовательно относившийся к своим публикациям, безусловно, не одобрил бы такой вольности. Однако эта дословная запись, как ни один официальный документ, поможет хотя бы на мгновение восстановить в памяти само звучание его голоса.

Доклад Ферми входил в цикл «Физика в Колумбийском университете», прочитанный во время ежегодного съезда Общества.

Из журнала «Physics Today», ноябрь 1955 г.

Физика в колумбийском университете: генезис исследований по ядерной энергии

М-р председатель, декан Пегрэм, члены Общества, дамы и господа.

В 200-ю годовщину Колумбийского университета кажется вполне уместным вспомнить о ключевой роли, которую играл Университет в ранней экспериментаторской и организаторской работе, приведшей к овладению атомной энергией.

Мне посчастливилось быть сотрудником Пьюпиновской лаборатории на протяжении того времени, когда происходила, по крайней мере, начальная стадия этого овладения. Я испытывал некоторые затруднения в Италии и всегда буду признателен Колумбийскому университету, предложившему мне место в Физическом отделе в самый нужный момент. И, кроме того, это предложение дало мне, как я уже говорил, редкую возможность стать свидетелем хода упоминавшихся мною событий.

Я на самом деле очень живо помню январь 1939 г. – первый месяц моей работы в Пьюпиновской лаборатории – по той стремительности, с которой тогда стало все разворачиваться. В то время Нильс Бор выступал с лекциями в Принстоне, и я помню, как однажды вечером вернулся взбудораженный Уиллис Лэмб и сказал, что Бор привез потрясающие новости. Этими потрясающими новостями были открытие деления и по меньшей мере набросок интерпретации явления; открытие, как вы, конечно, помните, восходит к работе Гана и Штрассмана, а первая идея интерпретации пришла из работы Лизе Мейтнер и Фриша, бывших тогда в Швеции.

Затем, несколько позже, в том же январе в Вашингтоне состоялась конференция, созванная Институтом Карнеги и Университетом Джорджа Вашингтона, на которой вместе с несколькими сотрудниками Колумбийского университета присутствовал и я и на которой впервые серьезно, хотя и в полушутливой форме, обсуждалось возможное значение только что открытого процесса деления как будущего источника энергии. Источника – потому что была высказана догадка, что если происходит деление, весьма серьезно нарушающее структуру ядра, то нельзя исключить испарения нейтронов. А если испаряются нейтроны, то их может быть больше одного, скажем для определенности – два. А если их больше одного, то каждый из этих, например, двух нейтронов может вызвать деление и перед вами, конечно, первые звенья цепной реакции.

Таким вот был один из предметов обсуждения на этой конференции, который вызвал легкую зыбь возбуждения по поводу возможности освобождения ядерной энергии. Во многих лабораториях, включая Пьюпиновскую, одновременно началось лихорадочное экспериментирование, и, как помнится, еще в Вашингтоне я получил от Даннинга телеграмму, возвещавшую об успехе опыта, направленного на обнаружение осколков деления. Тот же самый эксперимент был проделан, по-видимому, одновременно в полудюжине других лабораторий Америки, и, как мне кажется, чуть раньше в трех-четырех лабораториях Европы.

И вот в Колумбийском университете началась довольно длинная и утомительная работа, имевшая целью укрепить те смутные предположения, которые делались относительно возможности испускания нейтронов, и попытаться увидеть, действительно ли испускаются нейтроны, когда происходит деление, а если это так, то в каком же количестве, ибо ясно, что в этом случае крайне важна числовая сторона дела, так как чуть-чуть большая или чуть-чуть меньшая вероятность, может быть, определяла границу между возможностью и невозможностью цепной реакции.

Работа эта проводилась в Колумбийском университете одновременно Зинном и Сцилардом, с одной стороны, и Андерсоном и мной – с другой. Мы работали независимо и различными методами, но, конечно, поддерживали тесный контакт и держали друг друга в курсе полученных результатов. Одновременно такие же самые исследования проводились во Франции группой под руководством Жолио и фон Халбана. И все три группы пришли к одному и тому же заключению – полагаю, что Жолио, может быть, на несколько недель раньше нас в Колумбии, – а именно что нейтроны испускаются и что их довольно много, хотя количественные оценки были еще очень неточны и не слишком надежны.

Курьезным обстоятельством, связанным с этой фазой работы, было то, что здесь впервые появилась секретность, мучившая нас столько лет, и, вопреки, вероятно, самым распространенным представлениям о секретности, она появилась не по инициативе генералов, не по инициативе сотрудников органов безопасности, а по инициативе физиков. А главным инициатором этой, безусловно, крайне неизведанной для физиков идеи был Сцилард.

Не знаю, многие ли из вас знают Сциларда; думаю, что многие. Это, несомненно, очень своеобразный человек, весьма умный (смех); вижу, что это недооценка (смех). Он весьма выдающийся человек, и похоже на то, что он получает некоторое удовольствие – по крайней мере, такое впечатление он производил на меня, – получает удовольствие, выводя кого-нибудь из равновесия.

И вот он стал выводить из равновесия физиков, внушая им, что в данных обстоятельствах – это ведь было начало 1939 года и в воздухе очень попахивало войной, – что в данных обстоятельствах, при угрозе превращения атомной энергии и, может быть, атомного оружия в основное орудие нацистов для порабощения мира, обязанностью физиков было отказаться от традиции публиковать интересные результаты так быстро, как «Physical Review» или другой научный журнал мог поместить их. Вместо этого следовало проявлять осторожность и придерживать результаты до тех пор, пока не выяснилось бы, будут ли эти результаты потенциально опасны или потенциально полезны нам. Сцилард, поговорив с рядом ученых, убедил их в том, что они должны образовать нечто вроде общества – не знаю, стали бы его называть секретным обществом или как-нибудь еще. Во всяком случае – объединиться и рассылать информацию частным образом членам довольно ограниченной группы, не публикуя ее немедленно. Он послал ряд телеграмм в этом духе во Францию, Жолио, но не получил положительного отклика, и Жолио опубликовал свои результаты более или менее обычным порядком, как до этого публиковались физические результаты. Таким образом, стал общеизвестным факт испускания нейтронов при делении в заметном количестве – что-нибудь около одного, двух или трех. И, конечно, этот факт для большинства физиков означал, что возможность осуществления цепной реакции гораздо более реальна, чем это полагалось ранее.

Другая важная фаза работы в Колумбийском университете связана с предположением, сделанным Бором и Уилером на основании чисто теоретических аргументов, о том, что из двух изотопов урана не наиболее распространенный уран-238, а наименее распространенный уран-235, присутствующий в природном уране, как известно, в количестве 0,7 %, обусловливает подавляющее большинство случаев теплового деления. Их доводы касались четного числа нейтронов в уране-238 и нечетного числа нейтронов в уране-235, что, согласно проведенному Бором и Уилером рассмотрению энергий связи, позволяло считать правдоподобным утверждение о более высокой способности урана-235 к делению.

Ясно, конечно, что было очень важно знать и экспериментальные факты; работа была начата сообща Даннингом и Бутом в Колумбийском университете и Ниром[18]. Нир взял на себя масс-спектрографическую часть работы, пытаясь выделить ничтожное, но все же заметное количество урана-235, а Даннинг и Бут в Колумбии старались использовать это едва заметное количество для проверки того, будет ли на нем происходить деление с гораздо большим сечением, чем на природном уране.

Ну, как вы теперь, конечно, знаете, этот эксперимент подтвердил теоретические предположения Бора и Уилера, показав, что с точки зрения любой попытки – например, создания устройства для использования ядерной энергии – ключевым изотопом урана действительно является уран-235. Факт этот важен главным образом по следующим соображениям, которые в то время осознавались, возможно, не так отчетливо, как в настоящий момент.

Главной задачей при создании установки на цепной реакции является, конечно, забота о том, чтобы каждое деление производило определенное число нейтронов, а некоторые из этих нейтронов производили новые деления. Если начальное деление вызовет более чем одно последующее деление, то, конечно, реакция будет идти. Если же начальное деление вызовет менее чем одно последующее деление, то тогда реакция не пойдет.

Значит, если взять разделенный чистый изотоп U, то можно надеяться, что неизбежные потери нейтронов будут невелики, и, следовательно, если при реакции испускается несколько больше одного нейтрона, то получение системы, в которой шла бы цепная реакция, будет тогда просто делом создания достаточно большой кучи урана-235. Но если к каждому грамму урана-235 добавляется около 140 граммов урана-238, посылаемого нам природой вместе с ним, то возрастает конкуренция: весь этот балласт будет готов перехватить не слишком многочисленные нейтроны, испущенные при делении. Поэтому в то время было ясно, что один из путей осуществления цепной реакции состоял в том, чтобы отделить изотоп U^235235 от гораздо более распространенного изотопа U^238.

Сейчас в наших лабораториях стоит ряд сосудов, в которых содержатся более или менее чистые изотопы, ну, скажем, железо-56 или уран-235 или уран-238. Конечно, эти сосуды не так привычны, как банки с химическими элементами, но их удивительно легко получить, нажав должным образом на Ок-Риджскую лабораторию (смех). Но раньше изотопы считались почти мистически неразделимыми. Разумеется, было и исключение – дейтерий, который уже тогда можно было получить в сосуде. Но ведь в этом случае два изотопа водорода Н^1и Н^2различаются по массам в два раза, т. е. очень сильно. А в случае урана массы относятся всего лишь как 235 к 238, т. е. различие между ними чуть больше 1 %. И это, конечно, делает различие между такими объектами настолько крошечным, что было не очень ясно, можно ли принимать всерьез задачу выделения больших количеств урана-235.

Итак, в то далекое время, примерно в конце 1939 года, начали проясняться два направления штурма проблемы атомной энергии. Одно из них состояло в следующем. Прежде всего надо было выделить большие количества – килограммы, а может быть, десятки килограммов, а может быть, и сотни килограммов: реально никто не знал, сколько же килограммов понадобится – выделить примерно такие количества урана-235, казавшиеся тогда фантастически огромными, и далее работать с ними без балластных гораздо больших количеств урана-238. Другое направление основывалось на надежде, что, может быть, нейтронов окажется не так уж мало, и с помощью некоторой доли изобретательности их можно будет использовать эффективно, так что цепную реакцию, может быть, удастся получить, не пытаясь решить задачу разделения изотопов, задачу, которая, я бы сказал, в то время представлялась почти на грани человеческих возможностей.

Ну, а поскольку я много лет работал с нейтронами и особенно с медленными нейтронами, то я присоединился ко второй команде, желавшей использовать неразделенный уран, и вместе с ней постарался сделать все, что было в наших силах. Даннинг и Бут, часто консультируясь с проф. Юри, приступили к изучению, обсуждению и первым попыткам решения задачи разделения урана. Сцилард, Зинн, Андерсон и я начали вести работы по второму направлению, о котором я говорил, и на первом этапе нам пришлось делать множество измерений.

Должен признаться, что я никогда не мог вполне понять, почему же наши измерения в те дни были настолько плохи. Замечу, что сейчас мы делаем очень плохие измерения по физике пионов, наверное, просто потому, что еще не научились делать их как следует. Конечно, в то время мы не располагали такими обширными возможностями, как сейчас. Экспериментировать с нейтронами, используя котел в качестве источника нейтронов, гораздо легче, чем было в те дни использовать радий-бериллиевые источники, если требовалось соблюсти хорошую геометрию, или циклотрон, если было важно получить хорошую интенсивность, а не хорошую геометрию.

Что ж, вскоре мы пришли к заключению, что для сохранения каких-то шансов на успех с природным ураном необходимо использовать медленные нейтроны. Итак, был нужен замедлитель. В качестве замедлителя можно было использовать воду или другое вещество. Вода была вскоре отброшена: она очень эффективно замедляет нейтроны, но поглощает их несколько больше, чем нам было по карману. Тогда мы подумали, что, может быть, лучше понадеяться на графит. В нем нейтроны замедляются не так эффективно, как в воде; но о его поглощающих свойствах было известно настолько мало, что была понятной надежда на то, что поглощение окажется очень малым.

Это доводит нас до осени 1939 года, когда Эйнштейн написал знаменитое теперь письмо президенту Рузвельту, говорившее о положении в физике – о том, что рождалось в ней, и о том, что, по его мнению, правительство было обязано заинтересоваться этими исследованиями и помочь им. И действительно, несколькими месяцами позже пришла помощь в размере 6000 долларов, и эти шесть тысяч были использованы для покупки громадных количеств – или казавшихся таковыми в то время, когда взгляды физиков еще не были искажены (смех), – казавшихся тогда громадными количеств графита.

И вот физики, работавшие на седьмом этаже Пьюпиновской лаборатории, стали походить на шахтеров (смех), а жены, к которым по вечерам возвращались эти усталые физики, недоумевали – что же происходит. Конечно, воздух в городе не очень чист, но все-таки… (смех).

Ну, а происходило то, что в те дни мы пытались что-то узнать о поглощающих свойствах графита, потому что и графит мог оказаться ни на что не годным. И мы строили графитовые колонны, стороной фута в четыре или около того, и высотой футов десять. Впервые физическая аппаратура, а эти графитовые колонны и были аппаратурой, оказалась настолько велика, что вы могли совершать восхождения на нее – а вы и должны были это делать. Конечно, с циклотронами была такая же история, но как бы то ни было, мне впервые пришлось взбираться на свое оборудование, просто потому, что оно было слишком высоким – а я нет (смех).

И мы вставляли источники нейтронов вниз и смотрели, как эти нейтроны сначала замедляются, а затем диффундируют по колонне. Конечно, если бы существовало сильное поглощение, они не продиффундировали бы очень далеко. Но оказалось, что поглощение действительно мало, и поэтому нейтроны весьма охотно диффундировали по колонне, а подзанявшись математическим анализом ситуации, удалось получить первые прикидки сечения поглощения в графите, что было ключевым пунктом для решения вопроса о том, возможно ли создать установку для получения цепной реакции на графите и природном уране.

Я, пожалуй, не буду входить во все подробности этих экспериментов. Они длились вполне заметное время и потребовали многих часов, многих дней и многих недель действительно очень трудной работы. Упомяну, что очень скоро наши исследования были увязаны с аналогичными экспериментами, проводившимися в Принстонском университете, где группа Вигнера, Крейтца и Боба Вильсона приступила к работе, выполняя те измерения, которые мы не могли сделать в Колумбийском университете.

Между тем время шло, и мы стали понимать, что надо измерять и насколько точно надо измерять величины, которые я назову η, f и p – думаю, что для определения их здесь у меня нет времени, – эти три величины η, f и p, чтобы установить, что же можно и что нельзя сделать. В действительности, если можно так сказать, произведение η, f и p должно быть больше единицы. Как мы теперь знаем, если сделать практически все возможное, то это произведение составит 1,1.

Итак, если бы мы могли измерять эти три величины с точностью в 1 %, то мы могли бы найти, например, что произведение равно 1,08 + 0,03, и в этом случае могли бы сказать – стоит продолжать в том же духе, или, если бы произведение оказалось равным 0,95 + 0,03, мы бы, наверное, сказали, что это направление вряд ли сулит успех и надо искать что-нибудь другое. Но я уже отмечал крайне низкое качество измерений по нейтронной физике, делавшихся в то время, – точность измерения по отдельности величин η, или f, или p составляла, может быть, около ±20 % (смех).

И если объединить 20-процентные ошибки по известным правилам статистики, вы получите что-то около 35 %. Ну, а если вы получили, например, 0,9 + 10,3 – что вы узнали? Вряд ли хоть что-нибудь (смех). Если вы получили 1,1 + 0,3 – опять-таки вы узнали не так-то много. В этом и состояла трудность; действительно, если обратиться к нашим ранним работам, то окажется, что численные значения, приписываемые тем или иным экспериментатором, скажем, величине η, различались на 20 %, а то и больше. На самом-то деле, как мне кажется, это очень сильно зависело от темперамента физиков. Скажем, физики-оптимисты ощущали необходимость подтянуть эти величины повыше, а физики-пессимисты, вроде меня, пытались удержать их значения где-нибудь пониже (смех).

Как бы то ни было, никто ничего толком не знал, и мы решили, что надо делать что-то другое. Следовало придумать эксперимент нового типа, в котором можно было бы сразу измерить именно произведение η, f и p, не измеряя эти величины по отдельности, так как тогда, может быть, ошибка как-то понизится и позволит нам сделать определенные выводы.

Что ж, мы обратились к декану Пегрэму, который был тогда человеком, способным совершить любые чудеса в Университете, и объяснили ему, что нам нужна большая комната. И когда мы сказали, что под словом «большая» имеется в виду по-настоящему большая комната, он, может быть, и заметил саркастически, что церковь не самое подходящее место для физической лаборатории, но мне-то кажется, что как раз церковь была именно тем самым местом, которое мы искали (смех). И вот он начал рыскать по университетскому городку, а мы пробирались с ним по темным коридорам, под разнообразными отопительными трубами и т. д. в поисках комнаты для проведения эксперимента, пока, наконец, в Шермерхорн-холле не была разыскана большая комната, хотя и не церковь, но сравнимая по размеру с церковью.

Там-то мы и начали возводить сооружение, размеры которого тогда казались еще на порядок больше, чем у всего виденного нами раньше. Правда, если кто-нибудь захочет взглянуть на это сооружение сейчас, ему, вероятно, придется вытащить лупу (смех) и подойти поближе. Но по представлениям того времени оно выглядело действительно большим. Это сооружение состояло из графитовых брусков, а среди этих графитовых брусков некоторым регулярным образом располагались большие кубические банки с окисью урана.

Ну, как вы, вероятно, знаете, графит – вещество черного цвета. Окись урана – тоже. И люди, перетаскивая многие тонны обоих веществ, становятся очень черными. Вообще-то для этого нужны даже сильные люди. А мы, что ж, мы были довольно сильными, но хочу сказать, что мы были, в конце концов, мыслителями (смех). И декан Пегрэм снова разобрался в ситуации и сказал, что да, эта работа, пожалуй, не по вашим хилым силенкам, но ведь есть же в Колумбийском университете футболисты – около дюжины очень здоровых ребят, которые берутся за почасовую работу для оплаты колледжа. Почему бы не подрядить их?

Это была блестящая идея; одно удовольствие было руководить работой этих рослых ребят, упаковывающих уран, едва касаясь его пальчиками, или перебрасывающих упаковки по 50–100 фунтов так же легко, как другие передвигали бы 3–4 фунта. При перекидывании этих банок в воздухе носилась пыль и слова разных оттенков, но преимущественно черные (смех).

Вот так и росло то, что было названо в то время экспоненциальным котлом. Это был экспоненциальный котел, поскольку в его теоретическое описание входит экспоненциальная функция, что неудивительно. И это было сооружение, предназначенное для интегральной проверки, без обращения к тонким деталям, того, будет ли реактивность котла, коэффициент размножения, больше или меньше единицы. Оказалось, что он равен 0,87. Что ж, это на 0,13 меньше единицы, и это плохо. Но зато у нас появилась твердо установленная точка начала поисков: нам, по существу, надо было установить, можно ли выжать дополнительные 0,13 или, еще лучше, чуть-чуть побольше. Было ясно, что можно сделать несколько очевидных вещей. Прежде всего, я говорил вам об этих больших банках – они были сделаны из жести; а что может делать железо? Железо может только навредить, может поглощать нейтроны, а нам нужно обратное. Итак, долой банки! Далее, а как насчет чистоты материалов? Мы взяли образцы урана и с нашим физическим неумением делать химические анализы попытались выделить примеси, и они таки нашлись. Мы не знали, что представляют собой эти примеси, но выглядели они внушительно, во всяком случае, по объему (смех). Ну, а что могут делать эти примеси? Ясно, что ничего, кроме вреда, а может быть, они вредят на 13 %. Наконец, графит был чистым по стандартам того времени, когда изготовители графита не старались специально избавиться от примесей, поглощающих нейтроны. И здесь можно было добиться значительного выигрыша. В тех ранних попытках организации производства чистых материалов особая роль принадлежит Сциларду, предпринявшему ряд убедительных и решительных мер. Он делал великолепную работу, которая впоследствии перешла к более мощной организации, чем сам Сцилард. Впрочем, для того чтобы угнаться за Сцилардом, маловато одного, хотя бы и «мощного парня» (смех).

Что ж, так мы подошли к Перл-Харбору. В то время, а в действительности, мне кажется, несколько раньше инцидента, возрос интерес к проведению урановых исследований; работы, до некоторой степени аналогичные проводившимся в Колумбийском университете, были начаты в ряде других университетов по всей стране. Правительство начало принимать решительные меры по организации работы, и, конечно, Перл-Харбор дал окончательный и весьма убедительный толчок этой организации. В высших правительственных кругах было решено, что работа над цепной реакцией с неразделенными изотопами урана должна быть перенесена в Чикаго.

Вот тогда-то я покинул Колумбийский университет и после нескольких месяцев регулярных поездок из Нью-Йорка в Чикаго и обратно окончательно переехал в Чикаго для работы там, а работа в Колумбийском университете с той поры была сосредоточена, за немногими существенными исключениями, на задаче разделения изотопов для атомного проекта.

Как я уже говорил, эта работа была начата Бутом, Даннингом и Юри около 1939–1940 гг., а после упомянутой реорганизации в Колумбийском университете появилась большая лаборатория, руководимая проф. Юри. Проводившиеся в ней исследования оказались очень успешными и быстро переросли в организацию громадной исследовательской лаборатории, которая совместно с «Юнион карбид компани» приняла участие в создании некоторых разделительных заводов в Ок-Ридже. Это была одна из трех лошадей, на которых делали ставку руководители атомного проекта, и, как вы знаете, летом 1945 г. эти три лошади почти одновременно пришли к финишу. Благодарю вас. (Аплодисменты.)

Примечания

1

Имеются в виду специальная и общая теории относительности. – Прим. ред.

2

Город Гамильтон находится в Канаде. – Прим. перев.

3

Этим разделом математики является тензорный анализ. – Прим. ред.

4

Так как электромагнитное поле является одной из форм материи, под словом «материя» следует понимать «вещество». – Прим. ред.

5

Нильс Финзен (1860–1904) – датский медик и биолог, известный своими исследованиями по светотерапии. – Прим. ред.

6

Ятрос по-греч. значит медик. – Прим. ред.

7

Марчелло Мальпиги (итал. Marcello Malpighi; 10 марта 1628, Кревалькоре, Болонья – 29 ноября 1694, Рим) – итальянский биолог и врач. Ладзаро Спалланцани, устар. Лазарь Спалланцани (итал. Lazzaro Spallanzani; 10 января 1729, Скандиано, Эмилия-Романья, Италия – 12 февраля 1799, Павия, Италия) – известный итальянский натуралист (ботаник и зоолог) и физик, иезуит.

8

Собрание происходило в замке Кронборг – месте действия шекспировского «Гамлета». Замок расположен в городе Эльсинор на берегу узкого пролива Зунд, отделяющего Данию от Швеции. – Прим. ред.

9

Генотип – совокупность генов данного организма. Фенотип – совокупность характеристик, присущих индивиду на определенной стадии развития.

10

Пауль Эренфест (нем. Paul Ehrenfest; 18 января 1880, Вена – 25 сентября 1933, Амстердам) – австрийский и нидерландский физик-теоретик. Член Нидерландской королевской академии наук, член-корреспондент Академии наук СССР (1924), иностранный член Датской академии наук (1933).

11

Вернер Карл Гейзенберг (нем. Werner Karl Heisenberg, 5 декабря 1901, Вюрцбург – 1 февраля 1976, Мюнхен) – немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1932), член ряда академий и научных обществ мира.

12

Сольвеевские конгрессы (Сольвеевские конференции) – серия международных конференций по обсуждению фундаментальных проблем физики и химии, проводимая в Брюсселе международными Сольвеевскими институтами физики и химии с 1911 года.

13

Лига Наций – международная организация, основанная в результате Версальско-Вашингтонской системы Версальского соглашения в 1919–1920 годах. В период с 28 сентября 1934 по 23 февраля 1935 в Лигу Наций входило 58 государств-участников. Цели Лиги Наций включали в себя: разоружение, предотвращение военных действий, обеспечение коллективной безопасности, урегулирование споров между странами путем дипломатических переговоров, а также улучшение качества жизни на планете. Прекратила свое существование в 1946 году.

14

Нильс Стенсен (1638–1686) – латинизированная форма: Николай Стенон, Стено – датский естествоиспытатель (анатомия, геология, кристаллография). – Прим. ред.

15

Выступление 17 ноября 1945 года на симпозиуме «Атомная энергия: проблема и следствия».

16

Игра, напоминающая теннис. – Прим. ред.

17

Р. Оппенгеймер выступил с докладом «Будущее атомного оружия». – Прим. ред.

18

Работавшим в Миннесотском университете.

Content

Роберт Оппенгеймер, Нильс Бор, Отто Фриш, Энрико Ферми, Джон фон Нейман и др
Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями

О. Фриш Открытие деления ядер

Это начиналось так

Исследования в Европе

Год открытий

Искусственная радиоактивность

Параллельные цепочки

Вблизи цели

Плодотворный визит

Завершающий этап поисков

Дж. Уилер Механизм деления ядер

Ключи к разгадке

Капельная модель ядра

Бор привозит новости

Создание теории

Торжество Бора

Роберт Оппенгеймер Летающая трапеция

Из предисловия

Введение

Пространство и время

Атом и поле

Война и нации

Нильс Бор Атомная физика и человеческое познание

Предисловие автора к русскому изданию

Введение

Свет и жизнь

Биология и атомная физика

Философия естествознания и культуры народов

Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике

Единство знаний

Атомы и человеческое познание

Физическая наука и проблема жизни

Квантовая физика и философия

Квантовая физика и биология

Открытое письмо Организации Объединенных Наций

Энрико Ферми Создание первого ядерного котла

Атомная энергия для мирных целей

Физика в колумбийском университете: генезис исследований по ядерной энергии

Примечания