Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
| внутренней
и внешней конической рефрак- ции света в кристалле. Предсказание Гамильтона сумел проверить и подтвердить его друг и коллега Хэмфри Ллойд; это событие стало настоящим триумфом математической науки. Математическое предсказание никогда прежде не наблюдавшегося явления каза- лось в то время едва ли не чудом, и Гамильтон за свое достижение был возведен в рыцарское звание. Дублинцы с гордостью рассказывали мне про это математиче- ское достижение, сделанное средствами одной только геометри- ческой оптики. Галилей был одним из пионеров наблюдательной и экспериментальной науки; Фрэнсис Бэкон — первым пропа- гандистом индуктивного метода в науке. Однако если говорить о математическом описании никогда прежде не наблюдавшегося явления, то гамильтоново предсказание конической рефракции, вероятно, было первым. Этого достаточно, чтобы обеспечить Га- мильтону достойное место в истории науки. Но сегодня, несмотря на все значение открытия Гамильтона, классическая геометрическая оптика уже не является объектом исследования. Все важные явления в этой области давно изуче- ны. Вскоре после Гамильтона, в 1860-е гг., шотландский ученый Джеймс Кларк Максвелл с коллегами разработали электромагнит- ТЕБЕ — МАЛО, МНЕ — В САМЫЙ РАЗ 47 ную теорию света. Стало ясно, что геометрическая оптика — всего лишь приближенное описание явлений; тем не менее ее законы применимы для световых волн с достаточно маленькой длиной волны; для них эффекты интерференции незначимы, а движение можно считать прямолинейным. Иными словами, геометрическая оптика — это эффективная теория, применимая в определенных ограниченных условиях. Это не означает, что в науке сохраняется всякая теория. Иногда она просто оказывается ошибочной. Примером может служить первая теория света, сформулированная Евклидом и в IX в. воз- рожденная в исламском мире арабским математиком аль-Кинди (в ней утверждалось, что свет испускают глаза человека). Несмо- тря на то что другие ученые, такие как персидский математик ибн- Саль, на основании этого ложного утверждения верно описывали явления (то же преломление, к примеру), теория Евклида и аль- Кинди — появившаяся, кстати говоря, раньше, чем наука и со- временные научные методы — оказалась попросту неверна. Она не вошла в позднейшие теории, а была отброшена. Ньютон не предвидел появления новых концепций в теории света. Он выдвинул так называемую «корпускулярную» теорию, которая никак не согласовывалась с волновой теорией света, раз- работанной его соперниками — Робертом Гуком в 1664 г. и Хри- стианом Гюйгенсом в 1690 г. Споры по этому поводу продолжа- лись не один десяток лет. Только в XIX в. Томас Юнг и Огюстен-Жан Френель измерили интерференцию света и тем самым подтверди- ли, что свет имеет волновую природу. Позже развитие квантовой теории показало, что Ньютон в каком-то смысле тоже был прав. Согласно идеям квантовой ме- ханики, свет действительно состоит из отдельных частиц, полу- чивших название фотоны и ответственных за передачу электро- магнитного излучения. Но современная теория фотонов базиру- ется на понятии квантов света — отдельных частиц, из которых состоит свет и которые обладают уникальными свойствами. Даже одна частица света — фотон — ведет себя, как волна. Эта волна определяет вероятность нахождения фотона в каждой конкретной точке пространства (рис. 5). 48 МАСШТАБИРОВАНИЕ РЕАЛЬНОСТИ Свет движется по прямой Свет ходит волнами Геометрическая оптика Волновая оптика Фотоны Свет передается фотонами — частицами, способными вести себя, как волны РИС . 5. Современной концепции света предшествовали геометриче- ская и волновая оптика. Они до сих применимы при определенных условиях Корпускулярная теория света, предложенная Ньютоном, под- тверждается наблюдаемыми результатами. Тем не менее ньюто- новы частицы света не имеют волновой природы и потому совсем не похожи на фотоны. Насколько мы сегодня знаем, теория фото- нов представляет собой самое фундаментальное и верное описа- ние света — потока частиц, которые могут приобретать волновые свойства. В настоящее время базисное описание того, что пред- ставляет собой свет и как он себя ведет, дает квантовая механика. Эта теория фундаментально верна и останется в науке. В настоящее время квантовая механика находится гораздо ближе к передовым областям научных исследований, нежели оп- тика. Если кто-то по-прежнему думает о новых открытиях в оп- тике, то имеет в виду в первую очередь новые эффекты, возмож- ные только в рамках квантовой механики. Современная наука уже не развивает классическую оптику, но, безусловно, включает в себя квантовую оптику, науку о квантово-механических свой- ствах света. Лазеры работают по законам квантовой механики; то же можно сказать и о детекторах света, таких как фотоумножи- тели, и о фотоэлементах, превращающих солнечный свет в элек- тричество. Современная физика элементарных частиц включает в себя также теорию квантовой электродинамики (КЭД), разработанную Ричардом Фейнманом и другими учеными. В нее входят не только ТЕБЕ — МАЛО, МНЕ — В САМЫЙ РАЗ 49 квантовая механика, но и специальная теория относительности. В КЭД мы занимаемся изучением отдельных частиц, в том чис- ле фотонов — частиц света, а также электронов и других частиц, переносящих электрический заряд. Мы способны разобраться в скоростях, на которых взаимодействуют эти частицы и с кото- рыми они могут создаваться и уничтожаться. КЭД — одна из тех теорий, которые очень активно используются в физике элемен- тарных частиц. Кроме того, именно в ее рамках делаются самые достоверные научные предсказания. КЭД совершенно не похожа на геометрическую оптику, но обе эти теории верны, каждая в со- ответствующей области. В каждой области физики имеется своя эффективная теория. По мере развития науки старые идеи уходят на второй план и ста- новятся составной частью более фундаментальных теорий. Но пе- редовые исследования в науке посвящены не им. В конце этой гла- вы мы рассмотрели конкретный пример — развитие физических представлений о природе света, но следует отметить, что таким образом развивается вся физика. На передовом крае науки разви- тие происходит неуверенно, но в целом методично. Эффективные теории в каждом конкретном масштабе игнорируют, как им и по- ложено, те эффекты, которые не влияют ни на какие измерения. Знания и методы, обретенные в прошлом, остаются с нами, но, по мере того как мы начинаем осваивать более широкий спектр расстояний и энергий, теории получают новое развитие. Движе- ние вперед позволяет нам разобраться в фундаментальной основе наблюдаемых явлений. Понимание исторического пути развития науки помогает лучше понять ее природу и по достоинству оценить крупнейшие вопросы, которыми заняты сегодня физики (и другие ученые). В следующей главе мы увидим, что сегодняшние научные методы зародились еще в XVII в. |