Открытия в области физики и применение физических эффектов и моделей в других областях деятельности
Принципы запрета
X
«Принципы науки часто являются «принципами невозможности». Они говорят, что некоторых вещей сделать нельзя, хотя и не утверждают, что можно сделать всё остальное (ибо это означало бы, что больше уже нет подлежащих открытию принципов).
Вызывает удивление та быстрота, с какой осуществляются самые трудные и самые сложные открытия, когда этому не препятствуют никакие принципы. Подтверждением этому может служить быстрое развитие событий после того, как в 1907 году де Форест ввел в электронную лампу Флеминга третий электрод, что в свою очередь было обусловлено открытием электрона. В радио и в радиолокации, в телевидении и в огромных «цифровых вычислительных» машинах, которые представляют ближайшее из всех когда-либо сделанных подобий мозга, использованы одни и те же отправные идеи и применены одни и те же детали, подобно тому как слон, лягушка и голубь приводят в движение свой костяк посредством довольно сходных нервных и мышечных клеток.
Стоит попытаться объяснить (в той мере, в какой это можно сделать, пользуясь обычным языком), что же представляют собой эти принципы невозможности.
Перечисляю их. в совершенно произвольном порядке, начав с принципа, важность которого впервые подчеркнул Эйнштейн и который гласит, что скорость движения тел и передачи сигналов не может превышать скорости света. Скорость движения электронов удаётся довести до скорости, отличающейся от скорости света приблизительно на одну стотысячную долю последней, а для космических лучей эта разница иногда бывает даже ещё меньше, но этим частицам присущи особые свойства, подтверждающие невозможность преодоления последнего этапа, а это в данном случае и имеет решающее значение.
Если бы физику предложили составить такой список основных принципов пятьдесят лет назад, то первые два места он, видимо, отвел бы закону сохранения массы (массу нельзя ни создать, ни уничтожить) и закону сохранения энергии. Сейчас оба эти принципа объединены, и можно сказать, что масса сохраняется при одном и только одном условии одновременного сохранения и энергии в рассматриваемой области пространства и что, наоборот, энергия сохраняется, если сохраняется масса, но массу можно превратить в эквивалентное количество энергии и обратно. Взрыв атомной бомбы фактически представляет собой превращение очень малого количества массы в очень большое количество энергии. Меньше одного грамма (1/28 унции) массы было достаточно для взрыва в Хиросиме. Этот объединённый закон будет нашим вторым принципом.
С ним тесно связан (и, по сути дела, вытекает из него в теории относительности) закон сохранения количества движения, который школьники изучают под названием третьего закона Ньютона о движении и который гласит, что действие всегда равно и противоположно направлено противодействию. Отдача орудия (произведение массы на скорость) сразу же после выстрела из него равна и противоположна по знаку количеству движения снаряда. Когда в силу сопротивления воды ход судна с застопоренными машинами замедляется, потеря количества движения судна возмещается количеством движения перемещаемой судном массы воды.
Третий и четвёртый принципы, аналогичные друг другу, провозглашают невозможность создания электрического заряда или магнитного полюса без одновременного образования равных им по величине заряда или полюса противоположного знака где-то в другом месте. В случае магнита этим «другим местом» служит другая часть того же самого предмета, где этот полюс и должен сохраняться; электрические же заряды, создаваемые в непосредственной близости друг от друга, можно по желанию разобщить.
Пятый и шестой принципы также связаны между собой тем, что оба они принадлежат к квантовой теории. Пятый принцип труднее всего выразить словами, но в общих чертах он утверждает невозможность точного описания частицы или совокупности частиц атомного или субатомного размера. Попытка точно определить положение частицы сопровождается таким непредвиденным изменением её скорости, что, какова бы ни была исходная величина скорости, установить её после этого уже невозможно. И, наоборот, чем точнее можно измерить скорость, тем менее точным бывает определение положения частицы. Это положение известно под названием «принципа неопределённости» Гейзенберга. Данный принцип, по-видимому, лежит в основе абсолютно всех явлений в мире, что имеет гораздо далее идущие последствия для философии физики, чем этого можно было бы ожидать на первый взгляд. Это вынудило физиков пересмотреть свои представления о причине и следствии и о детерминизме, результаты чего всё ещё являются предметом дискуссий. Природа, как кажется, имеет по краям довольно расплывчатые очертания и не похожа на ту точную машину с чёткими гранями, какой её представляли себе в XIX веке.
Шестой принцип, принцип запрета Паули, можно рассматривать как своего рода особую силу, которая в известных случаях действует между двумя или несколькими одинаковыми частицами, запрещая им находиться в одном и том же состоянии.
Седьмой, и последний, принцип отличается от всех других тем, что он применим только в тех случаях, когда речь идет о множестве объектов, и в этом смысле он не менее абсолютен; однако поскольку всякий кусок материи - даже единичная биологическая клетка - состоит из многих миллионов атомов и молекул, на практике он применим в подавляющем большинстве случаев. В науке его называют «вторым началом термодинамики», или «законом энтропии». По своей сути это - принцип хаоса (если в этих словах нет противоречия). Он утверждает, что порядок всегда стремится исчезнуть, пока наконец не наступит полный хаос, который, хоть это кажется парадоксальным, поддаётся (почти) точному математическому описанию, что было показано Максвеллом для газа, рассматриваемого как совокупность большого числа беспорядочно движущихся частиц. Порядок в системе можно создать или усилить только путём внешнего воздействия; но порядок одного рода, вроде отсутствия беспорядочности . движения, может заменить порядок другого рода, когда целый ряд объектов устремляется в одном и том же направлении. Процесс последнего рода фактически используется в лабораториях для достижения наименьших возможных температур.
Было бы, впрочем, опрометчиво предполагать, что на веки веков останутся только эти семь принципов. Как только что отмечалось, один из них был выведен из двух более старых принципов, которые в свое время казались незыблемыми. Но было бы ещё опрометчивее думать, что их можно видоизменить сколько-нибудь существенным образом.
Могут, конечно, существовать и другие принципы, однако ни один из них пока неприменим к биологии. Но, быть может, эта область вообще выходит за пределы действия каких бы то ни было законов, за исключением законов физики и химии? Вряд ли это так. Животные и растения должны быть в состоянии размножаться и развиваться как отдельные особи, возникая из сравнительно очень маленького семени или яйца, которые при всей незначительности их размеров заключают в себе всё, из чего впоследствии разовьётся взрослая особь в целом. Тут надо сделать оговорки. Не всякая система, состоящая из костей, нервов и мышц - пусть даже образующая жизнеспособное животное, - может, скажем, вырасти из яйца, а тем более развиться путём эволюции. Быть может, именно поэтому природа никогда не порождала на свет рабочего колеса или даже гусеничной передачи. Всё движется возвратно-поступательно, хотя, несомненно, и в живой природе и в мире техники должны существовать такие ситуации, когда непрерывное вращение более отвечало бы назначению».
Джордж Томсон, Предвидимое будущее, М., «Издательство иностранной литературы», 1958 г., с. 32-35.
