Чтение онлайн

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 подойдём к этой проблеме с точки зрения механики или электромагнитной теории, то мы не найдём 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 свойств атомов стало столь же полным, как отображение астрономических данных ньютоновой механикой. Несмотря на всю сложность общих проблем атомной механики, для её 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 влечёт 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 неопределённости в реакции объекта на измерительные приборы. Напомним, что общее понятие относительности выражает существенную зависимость всякого явления от системы отсчёта, 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 создаёт 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 отчёта 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 огнём дадут, конечно, не более удовлетворительное объяснение живых организмов, чем даёт 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, соединённом 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 ещё 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 ещё 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 неопределённость 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 её 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, какие 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 неё 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 учёт кванта действия. Это фундаментальное различие между физическими и биологическими исследованиями означает, что нельзя поставить чётко определённый 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 неодушевлёнными 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 подчёркивать, что эта позиция, характерная для биологических исследований, отнюдь не предполагает игнорирования психологической стороны жизни. Наоборот, признание ограниченности механических 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 определённой стороне. Мы бы ушли слишком далеко от нашего предмета, если бы стали распространяться об этой аналогии, дающей существенное разъяснение психофизическому параллелизму. Однако я хотел бы 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 обобщённому 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 доведённой 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 подчёркивать, 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 далёк 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 учёные, начиная с основополагающих работ Финзена 1, и которая характеризуется самым тесным сочетанием между изучением лечебных эффектов светотерапии и изучением физических её сторон.

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

1933

39 К ВОПРОСУ ОБ ИЗМЕРИМОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ *

(Совместно с Л. Розенфельдом)

*Zur Frage der Messbarkeit der elektromagnetischen Feldgrossen (Mit. L. Rosenfeld). Kgl. Danske Vidensk. Selskab., Math.-Fys. Medd., 1933, 12, № 8, 3—65.

§ 1. Введение

Дискуссия о неразрешённых ещё трудностях релятивистской атомной механики возбудила большой интерес к вопросу о вытекающих из существования кванта действия ограничениях для измеримости величин электромагнитного поля. Путём рассуждений ориентировочного характера Гейзенберг 1 пытался установить связь между ограничениями измеримости полевых величин и квантовой теорией поля, аналогичную связи между ограничениями измеримости кинематических и динамических величин и нерелятивистским аппаратом квантовой механики; последние ограничения выражаются соотношениями неопределённости и приводят к понятию дополнительности. Ландау и Пайерлс 1 в своем критическом исследовании основ релятивистского обобщения аппарата квантовой механики пришли, однако, к заключению, будто бы измеримость полевых величин подчинена дальнейшим ограничениям, идущим значительно дальше предпосылок квантовой теории поля и тем самым подрывающим физические основы этой теории.

1 W. Heisenberg. Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie, 1930, S. 33 (см. перевод В. Гейзенберг. Физические принципы квантовой теории. М.—Л., 1932, стр. 41 и сл. — Прим. ред.).

1 L. Landau, R. Реiегls. Zs. f. Phys., 1931, 69, 56.

На первый взгляд в этом противоречии можно было бы усмотреть серьёзную дилемму. А именно, с одной стороны, квантовая теория поля должна рассматриваться как выполненное в духе принципа соответствия последовательное обобщение классической электромагнитной теории, понимаемое в том же смысле, в каком квантовая механика представляет учитывающее существование кванта действия обобщение классической механики. С другой же стороны, именно квантовая электродинамика существенно умножила те трудности гармонического сочетания теории поля с теорией атома, с которыми мы уже сталкивались в классической электронной теории. При ближайшем рассмотрении оказывается, однако, что возникающие здесь разнообразные проблемы могут быть рассмотрены раздельно в силу того, что сам по себе аппарат квантовой электромагнитной теории является независимым от тех или иных представлений об атомном строении материи. Последнее явствует уже из того, что из числа универсальных констант в него входит помимо скорости света только квант действия; а из этих двух констант, очевидно, ещё нельзя составить какую-либо характерную длину или интервал. В квантовой теории строения атома введение такой характерной длины достигается лишь путём использования значений элементарного электрического заряда и массы покоя элементарных частиц.