Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Стивен Вайнберг

Позитивизм сыграл также важную роль при зарождении современной квантовой механики. Выдающаяся первая статья Гейзенберга 1925 г.[134] начинается с наблюдения, что «как хорошо известно, формальные правила, использованные [в работе Н. Бора в 1913 г.] для вычисления наблюдаемых величин, таких как энергия атома водорода, могут быть подвергнуты серьезной критике на том основании, что они содержат в качестве основных элементов соотношения между величинами, которые по-видимому в принципе не наблюдаемы, например положением и скоростью обращения электрона». В духе позитивизма Гейзенберг включил в свой вариант квантовой механики только наблюдаемые, например скорость, с которой атом может спонтанно совершать переход из одного состояния в другое, испуская или поглощая квант излучения. Соотношение неопределенностей, являющееся одной из фундаментальных основ вероятностной интерпретации квантовой механики, основано на сделанном Гейзенбергом позитивистском анализе ограничений, с которыми мы сталкиваемся, пытаясь одновременно наблюдать положение частицы и ее импульс.

Несмотря на ценность позитивизма для Эйнштейна и Гейзенберга, он все же принес столько же плохого, сколько хорошего. Тем не менее, в противоположность механистическому мировоззрению, позитивизм сохранил героическую ауру, так что он еще принесет много неприятностей в будущем. Джордж Гейл даже возлагает именно на позитивизм ответственность за теперешнее отчуждение между физиками и философами[135].

Позитивизм стал основой оппозиции атомной теории в начале ХХ в. В XIX в. были блистательно возрождены старые идеи Демокрита и Левкиппа о том, что все вещество состоит из атомов. Джон Дальтон, Амадео Авогадро и их последователи объяснили на основе атомной теории правила химии, свойства газов и природу теплоты. Атомная теория стала частью общепринятого языка физики и химии. Однако позитивисты во главе с Махом рассматривали это как отступление от истинных процедур научного исследования, поскольку никакая техника, которую только можно было в те времена вообразить, не позволяла наблюдать атомы непосредственно. Позитивисты декларировали, что ученые должны сосредоточиться на сообщении результатов наблюдений, например, что при соединении двух объемных частей водорода с одной объемной частью кислорода образуется водяной пар, но не должны забивать головы метафизическими рассуждениями, будто это происходит потому, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, так как никто не может наблюдать эти атомы или молекулы. Сам Мах так никогда и не смирился с существованием атомов. Уже в 1910 г., когда атомизм был принят практически всеми, Мах, в полемике с Планком, писал, что «если вера в реальность атомов является столь критической, тогда я отказываюсь от физического образа мышления. В этом случае я не могу оставаться физиком-профессионалом и отказываюсь от своей научной репутации»[136].

Сопротивление атомизму имело особенно печальные последствия в случае с задержкой признания статистической механики, редукционистской теории, в которой теплота интерпретируется с помощью статистического распределения энергий частей любой системы. Развитие этой теории в трудах Максвелла, Больцмана, Гиббса и др. было одним из триумфов науки XIX в., так что отрицая ее, позитивисты совершили самую худшую из возможных ошибок, какую только может сделать ученый: не заметить успеха, когда он случается.

Позитивизм причинил неприятности и в менее известных случаях. Знаменитый опыт, поставленный Дж.Дж. Томсоном, считается большинством людей опытом по открытию электрона. (Томсон был преемником Максвелла и Рэлея в качестве Кавендишевского профессора в Кембриджском университете.) В течение ряда лет физики были озадачены таинственным явлением катодных лучей, которые испускаются, когда металлическая пластинка, помещенная в откачанную стеклянную трубку, подключается к отрицательному полюсу мощной электрической батареи. Эти лучи проявляются в виде светящегося пятна, оставляемого на противоположной стороне трубки. Кинескопы – экраны современных телевизоров – представляют собой не что иное, как катодные трубки, в которых интенсивность катодных лучей управляется сигналами, посылаемыми с телевизионных станций. Когда в XIX в. катодные лучи были впервые обнаружены, никто не знал, что они собой представляют. Затем Томсон измерил, как отклоняются катодные лучи электрическим и магнитным полями, проходя внутри трубки. Оказалось, что величина отклонения траектории этих лучей от прямолинейной согласуется с гипотезой, что лучи состоят из частиц, переносящих определенную величину электрического заряда, имеющих определенную массу и совершенно одинаковое отношение величины массы к величине заряда. Поскольку масса частиц оказалась намного меньше массы атомов, Томсон пришел к выводу, что эти частицы являются фундаментальными составными частями атомов и носителями электрического заряда во всех электрических токах, будь то в атомах, катодных трубках или проводниках. За это открытие Томсон объявил себя, а затем то же повсеместно сделали и историки, открывателем новой формы материи, частицы, для которой он выбрал имя, уже бывшее в ходу в теории электролиза, а именно электрон.

Однако точно такой же опыт был сделан примерно в то же время в Берлине Вальтером Кауфманном. Главное отличие эксперимента Кауфманна от эксперимента Томсона заключалось в том, что у Кауфманна он был лучше. Как мы сегодня знаем, результат для отношения заряда электрона к его массе был у Кауфманна более точным, чем у Томсона. Но, тем не менее, Кауфманн никогда не упоминается как открыватель электрона, так как он не думал, что открыл новую частицу. Томсон работал в рамках английских традиций, восходящих к Ньютону, Дальтону и Прауту, где были приняты рассуждения об атомах и их составных частях. Кауфманн же был позитивистом[137]; он не верил в то, что занятием физиков могут быть рассуждения о вещах, которые они не могут наблюдать. Поэтому Кауфманн не сообщил об открытии нового сорта частиц, а сообщил, что нечто, чем бы оно ни было, пролетая внутри катодной трубки, проносит определенное отношение заряда к массе.

Мораль этой истории не только в том, что увлечение позитивизмом испортило карьеру Кауфманна. Томсон, увлекаемый верой в то, что он открыл фундаментальную частицу, продолжал работать и поставил несколько других экспериментов для определения свойств этой частицы. Он обнаружил свидетельства того, что частицы с тем же отношением заряда к массе испускаются при радиоактивном распаде, и провел первые измерения заряда электрона. Вместе с предыдущим измерением отношения заряда к массе, это измерение позволило установить массу электрона. Именно совокупность всех этих экспериментов и дает право называть Томсона открывателем электрона, но он, вероятно, никогда не стал бы их делать, если бы не отнесся всерьез к идее о частице, которую в то время невозможно было непосредственно наблюдать.

В ретроспективе позитивизм Кауфманна и других оппонентов атомизма кажется не только тормозившим развитие, но и наивным. Что, в конце концов, означает, что мы что-то наблюдаем? Строго говоря, Кауфманн даже не наблюдал отклонения катодных лучей в данном магнитном поле; он всего лишь измерял изменение положения светящегося пятна на противоположной стороне вакуумной трубки, вызванного тем, что вокруг куска железа, поднесенного к трубке, была несколько раз обмотана проволока, подключенная к электрической батарее, а затем использовал принятую теорию для интерпретации увиденного в терминах траектории луча и магнитных полей. Если быть совсем точным, он не делал и этого; на самом деле, он использовал определенные зрительные и тактильные ощущения, которые затем интерпретировал как светящиеся пятна, проволоку и батарею. Уже давно среди историков науки стало общепринятым, что никакое наблюдение не может быть свободным от теории[138].

Считается, что окончательная капитуляция антиатомизма произошла в 1908 г. после заявления химика Вильгельма Оствальда в очередном издании его «Очерков общей химии»: «Теперь я убежден, что недавно мы получили экспериментальные свидетельства дискретной или зернистой структуры вещества, которые тщетно искали приверженцы атомной гипотезы в течение сотен и тысяч лет». Те экспериментальные свидетельства, которые имел в виду Оствальд, заключались в измерениях молекулярного вклада в так называемом броуновском движении крохотных частиц, взвешенных в жидкости, а также в измерении Томсоном заряда электрона. Если теперь осознать, насколько перегружены теорией все экспериментальные данные, то становится очевидным, что еще в XIX в. все успехи атомной теории в химии и статистической механике подтверждали наблюдение атомов.

Гейзенберг отмечал, что сам Эйнштейн пересмотрел свое отношение к позитивизму, ощутимому в начальной формулировке теории относительности. В прочитанной в 1974 г. лекции Гейзенберг вспоминает беседу с Эйнштейном в Берлине в начале 1926 г.: