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 её 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 даёт достаточно широкие возможности для описания свойств атомов, лежащих полностью вне той области, где допустим классический подход. Главный результат её 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 состояние 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 всё более полному проникновению в процессы, которыми эта информация передаётся. 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 имеющих 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 неодушевлённой 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 чётко различать измерительные приборы от исследуемых объектов, что влечёт 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.
84 ПРЕДИСЛОВИЕ К СБОРНИКУ «ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА XX ВЕКА» *
*Foreword. В сб.: «Theoretical Physics in the Twentieth Century. A memorial volume to Wolfgang Pauli». N. Y., 1960.
Прогресс физики в нашем столетии характеризуется не только расширением круга познаний, но равным образом и построением новых теоретических основ для анализа и синтеза экспериментальных данных. Вольфганг Паули, памяти которого посвящается эта книга, внёс в этот прогресс огромный вклад не только собственными выдающимися работами, но и тем вдохновением и воодушевлением, которые мы все от него получали.
Глубокая интуиция и способность к критическим суждениям проявились у Паули очень рано в его известной энциклопедической статье по теории относительности, опубликованной, когда ему было всего 20 лет. Эта статья до сих пор остаётся одним из наиболее ценных пособий, в котором изложены основы и общее содержание первоначальных идей Эйнштейна. Раннее знакомство Паули с этой теорией, содержавшей радикальный пересмотр фундаментальных физических понятий, а также отличное владение математическим аппаратом подготовили почву для важного вклада в квантовую физику.
Теория относительности уже в руках Эйнштейна достигла высокой степени совершенства как в своих принципах, так и в приложениях, тогда как в квантовой теории положение было совсем иным. Далёкое от того, чтобы дать общую картину явлений в атомных масштабах, великое открытие Планком кванта действия представляло собой попытку включения совершенно новых элементов понятий в последовательное описание физических процессов. Как известно, путь к этой цели, усеянный многими препятствиями, был проложен лишь постепенно совместным трудом целого поколения физиков.
Окончив школу в Вене, Паули продолжил образование в Мюнхене под руководством Зоммерфельда, уникальное мастерство которого в области математической физики оказывало глубокое влияние на всех его учеников. Позднее Паули поддерживал тесный контакт со своим старым учителем и часто говорил о нем с любовью и восхищением. Когда Паули после совместной работы с Борном в Гёттингене прибыл в 1922 г. в Копенгаген, он со своим остро критическим и неустанно ищущим умом стал для нашей группы истинным источником воодушевления. Особенно понравилось всем нам его интеллектуальное благородство, проявлявшееся с прямотой и юмором как в научных дискуссиях, так и в простых человеческих взаимоотношениях.
В те годы всеобъемлющие методы квантовой физики ещё не были созданы, и интерпретация экспериментальных данных основывалась главным образом на принципе соответствия, в котором выражена попытка сохранения классического описания до предельной степени, совместимой с индивидуальностью атомных процессов. Такая эмпирическая процедура позволила более или менее последовательно использовать спектральные данные для того, чтобы получить картину связывания электронов в атомах и, в частности, найти первый подход к интерпретации взаимоотношений между физическими и химическими свойствами элементов.
Я живо вспоминаю дискуссии с Паули, в которых он выражал свою неудовлетворённость слабостью аргументации, на которой основывалась попытка объяснить особую стабильность замкнутых электронных оболочек, имеющую столь фундаментальное значение для объяснения периодичности в свойствах элементов, расположенных в соответствии с зарядом их ядер. Обоснованность его замечаний самым поразительным образом была доказана неустанными работами Паули в последующие годы, завершившимися открытием принципа запрета, выражающего фундаментальное свойство систем тождественных частиц, для которого, как и для самого кванта действия, классическая физика не имеет аналога.
Изобретательность, с которой Паули использовал в те годы соображения принципа соответствия в пределах их применимости, иллюстрируется проведённым им изящным анализом комптоновского рассеяния излучения на свободных электронах. Исходя из общих статистических соображений Эйнштейна об обмене энергий и импульсом в радиационных процессах, Паули доказал, что вероятность рассеяния зависит от интенсивности обеих компонент излучения, участвующих в процессе. Метод, применённый в этой работе, в действительности находится в очень близкой связи с общей теорией дисперсии, сформулированной Крамерсом, которая оказалась весьма существенной для дальнейших больших открытий.
