ЧТО НАДО, ЧТОБЫ БЫТЬ ЗАКОНОМ!

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

ЕЩЕ ОДНО ПРЕДСКАЗАНИЕ

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

ПРОБЛЕМА ЧЕРНОГО ТЕЛА

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