Макс Планк и другие

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, оказалась неустойчивой с точки зрения классической электродинамики Фарадея-Максвелла. Дело в том, что Максвелл, придавший идеям и открытиям Фарадея в области электромагнетизма математически законченную форму (т.н. уравнения Максвелла) и сыгравший таким образом роль Ньютона XIX века, основывался, как и Галилей, на принципе непрерывности. Движение отрицательно заряженного электрона вокруг положительно заряженного ядра должно было быть равноускоренным (как всякое вращательное движение в классической механике), следовательно, согласно уравнениям Максвелла, связывавшим излучение электромагнитных волн с ускоренным движением электрических зарядов, электрон, находясь в атоме, должен был непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Вместе с тем, спектры атомов, в том числе спектр атома водорода, изученный к тому времени наиболее тщательно, указывали, что атомы излучают в диапазоне строго определенных длин волн, да и то не всегда. Если бы электроны в атомах подчинялись уравнениям Максвелла, то электрон, излучая электромагнитные волны, терял бы энергию и в конце концов упал бы на ядро (последнее, главным образом, и имеется в виду, когда речь идет о неустойчивости планетарной модели атома с точки зрения классической электродинамики). Надо было что-то менять. Вероятно, физики отказались бы от планетарной модели, если бы еще в 1900 году Макс Планк не сформулировал квантовую теорию излучения, согласно которой энергия передается от излучателя к реципиенту не непрерывно, а отдельными порциями или квантами. К 1911 году, т.е. к моменту проведения Резерфордом и его сотрудниками своих знаменитых опытов, на основе которых была сформулирована планетарная модель атома, идея Планка уже принесла обильные плоды в физике, ибо на ее основании были объяснены такие, казалось бы, загадочные явления, как спектр абсолютно черного тела и фотоэффект. Ученик Резерфорда Нильс Бор, вдохновленный успехами квантовой теории, решил применить ее к планетарной модели атома. Так родилась квантовая механика.
Квантовая механика, по сути, отказалась от всех основных принципов классической механики, сформулированной некогда Оремом, Галилеем, Декартом и Ньютоном. Прежде всего, квантовая механика упразднила принцип непрерывности, столь важный для новоевропейской науки и философии. Что касается последней, то для нее отказ от принципа непрерывности, рассматриваемого Лейбницем в качестве основополагающего, был так же губителен, как в свое время для схоластики отказ от концепций материи и формы. Поскольку диалектический материализм был всецело основан на принципах новоевропейской философии, в том числе на столь ценимом Гегелем принципе непрерывности, то квантовая теория в 1920-е годы привлекла к себе пристальное и, в целом, враждебное внимание советских философов. Сложилась ситуация, аналогичная той, что имела место с генетикой и теорией относительности. В журнале "Под знаменем марксизма" были опубликованы тексты выступлений М. Планка перед студентами Берлинского университета (1913 г.) и перед нобелевским комитетом (1920 г.) , а затем дана оценка этих выступлений с марксистских позиций. Первая из опубликованных в журнале "Под знаменем марксизма" (№1, 1923) речей М. Планка называлась "Новые пути физического познания". В этой речи, которую Макс Планк произнес перед студентами Берлинского университета по случаю начала 1913/1914 учебного года (никто тогда не догадывался, что через год большинству этих студентов придется надеть военную форму), он формулирует "великие общие физические принципы" и указывает, какие из них остались неизменными, а какие были поколеблены в свете открытий, имевших место на рубеже XIX - XX веков. К числу "непоколебленных" М. Планк отнес такие принципы, как 1) закон сохранения энергии; 2) закон сохранения импульса; 3) принцип наименьшего действия; 4) три начала термодинамики. К числу принципов, оказавшихся опровергнутыми, М. Планк отнес 1) неизменность химических атомов; 2) взаимную независимость пространства и времени; 3) непрерывность всех динамических процессов. По поводу первого из вышеперечисленных опровергнутых принципов Планк произнес многозначительную фразу: "Теперешние химические атомы далеко не атомы Демокрита". По поводу третьего из опровергнутых принципов в речи Планка было сказано следующее: «Третье из упомянутых выше положений касается непрерывности всех динамических процессов, раньше неопровержимой предпосылки всех физических теорий, которое, опираясь на Аристотеля, сконцентрировалось в известной догме: "Natura non facit saltus" (природа не делает скачков). Однако и в этой уважаемой с древности твердыне физической науки современное исследование пробило значительную брешь. Теперь это положение на основании новых опытных данных вошло в коллизию с принципами термодинамики и по всем признакам дни его сочтены.  Оказывается, природа в самом деле делает скачки и притом весьма странного сорта» (М. Планк. Новые пути физического познания// Под знаменем марксизма, № 1, 1923, с. 76). И чуть далее Планк подытоживает: «Во всех случаях гипотеза квант приводит к представлению, что изменения происходят в природе не непрерывно, но как бы взрывами» (Там же, с. 78). Ту же мысль Макс Планк подчеркнул в своей нобелевской речи "Возникновение и постепенное развитие теории квант": «Крушение всех попыток перебросить мост через возникшую пропасть вскоре не оставляло никакого сомнения: или квант действия был фиктивной величиной и тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял просто лишенную содержания игру в формулы, или при получении этого закона в основе была положена правильная физическая мысль – тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто совершенно новое, до того неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления, покоившегося, со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем, на предположении о непрерывности всех причинных связей» (М. Планк. Возникновение и постепенное развитие теории квант // Под знаменем марксизма, № 2-3, 1923, сс. 127-128).
Разумеется, эти выступления М. Планка были прокомментированы в журнале "Под знаменем марксизма" с позиций диалектического материализма. Один из тогдашних марксистских идеологов, Аркадий Тимирязев, сын известного биолога К.А. Тимирязева, так отозвался о позиции, занятой М. Планком:
"Руководствуясь диалектическим методом, мы сразу можем сказать, чего нам еще не хватает: если громадное число фактов заставило даже самых осторожных мыслителей из буржуазного мира отказаться от предрассудка, что "природа не делает скачков" и утверждать, что "природа делает скачки и притом весьма странного сорта", то в мире атомов нам еще неизвестны те непрерывные процессы, те процессы подготовки, которые приводят к наблюдаемым уже нами скачкам, а в диалектическом процессе всякий скачок предполагает предшествующее непрерывное развитие" (А.К. Тимирязев. Теория квант и современная физика// Под знаменем марксизма, № 2-3, 1923, с. 120).
Таким образом, А. Тимирязев предлагает ни больше ни меньше как снова ввести в физику принцип непрерывности, от которого создатели квантовой теории решительно отказались. Из реакции А. Тимирязева на выступление М. Планка видно, что марксисты настороженно восприняли появление квантовой теории и сразу поспешили указать, чего в ней не хватает, чтобы ее можно было привлечь в качестве еще одной иллюстрации "диалектики природы".
Но квантовая теория оказалась для марксистов твердым орешком. Отказ от принципа непрерывности был не единственным сюрпризом, который преподнесла квантовая теория марксистским философам. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал так называемый принцип неопределенности, указывавший на предел точности наших знаний о координате и скорости частицы и фактически приведший к отказу от понятия траектории. Примерно в то же время австрийский физик Э. Шредингер ввел понятие волновой функции, описывавшей положение квантового объекта в пространстве и во времени, заменившей, таким образом, прежнее понятие траектории. Когда, однако, попытались понять, что представляет собой волновая функция, каков ее физический смысл, то выяснилось, что квадрат модуля волновой функции дает нам не что иное, как вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Одно из самых интересных следствий теории Шредингера заключалось в том, что с некоторой вероятностью квантовый объект мог находиться там, куда, с точки зрения классической механики, он вообще не мог попасть. Рассмотрим, например, преодоление частицей т.н. потенциального барьера. С точки зрения классической механики частица не может преодолеть барьер, если ее исходная кинетическая энергия меньше, чем высота барьера. В квантовой механике преодоление потенциального барьера сделалось возможным для частиц с любой кинетической энергией, хотя, разумеется, чем ниже кинетическая энергия частицы, тем меньше вероятность преодоления ею потенциального барьера. Основываясь на этих неожиданных следствиях из теории Шредингера, русский физик Георгий Гамов предложил теорию альфа-радиоактивности, в рамках которой последняя объяснялась как туннельный эффект, т.е. преодоление альфа-частицей потенциального барьера, мешающего ей покинуть ядро. С позиций классической физики альфа-радиоактивность, детально описанная Марией Кюри, казалась необъяснимой загадкой, так как исходная кинетическая энергия альфа-частиц, согласно расчетам, оказывалась значительно ниже высоты потенциального барьера, создаваемого ядерными силами. Самым, однако, поразительным в туннельном эффекте была его непредсказуемость. Альфа-частица оказывалась как бы пленницей, заточенной в глубокой яме и предпринимающей многократные попытки выбраться из нее. С точки зрения классической механики положение этой пленницы безнадежно. Но в квантовом (и в реальном) мире все иначе: одна из приблизительно 10 в 33-й степени попыток выбраться из ямы приводит к успеху. Трудность, впрочем, состоит в том, что никогда нельзя заранее предсказать, какая именно попытка окажется успешной. Это наглядный пример непредсказуемости поведения квантовых объектов. Естественно, что это также противоречит новоевропейской философии, утверждающей, что каждая причина приводит к однозначному следствию.
Надо сказать, что не одни лишь марксисты были ввергнуты в недоумение этим неожиданным следствием квантовой теории. Дело в том, что учение о жесткой связи между причиной и следствием (т.н. детерминизм) наряду с принципом непрерывности составлял одну из догм новоевропейской философии уже со времен Спинозы. Ясно, что не только марксистам были дороги принципы новоевропейской философии. Например, А. Эйнштейн, никогда не сочувствовавший марксистам, зато большой поклонник философии Спинозы, был задет неожиданным для него выводом о непредсказуемости квантовых эффектов и вступил по этому поводу в ожесточенную полемику с Н. Бором. В данном случае, однако, сама природа поддержала Н. Бора и других создателей квантовой механики в их споре с Эйнштейном: туннельный эффект, экспериментально наблюдаемый и не оставляющий никакой лазейки для предсказуемости, в точности описывался уравнением Шредингера. Впоследствии выяснилось, что туннельный эффект играет ключевую роль в ядерных реакциях, происходящих в недрах Солнца, так что этому чудесному эффекту мы в буквальном смысле слова обязаны своей жизнью. Эйнштейн, впрочем, оказался непоколебим в своей приверженности спинозианскому детерминизму, но физики, привыкшие следовать за природой, а не за философскими догмами, в этом случае Эйнштейна не поддержали. Зато позиция Эйнштейна неожиданно нашла союзников в лице марксистов, которые в непредсказуемости квантовых событий усмотрели зловещий для себя призрак "свободы воли". В одной из статей, появившихся в журнале "Вопросы философии" в 1950 году, о квантовой механике было сказано:
"Опровержение субъективистских взглядов на пространство и время в микромире неотделимо от решения вопроса: существует ли в микромире причинность? Мнение на это счет Гейзенберга, Дирака, Бора и К0  общеизвестно. «Квантовая теория, - говорит Гейзенберг, - изучает процессы, которые вспыхивают в момент наблюдения». Это означает, что в микромире царит полный произвол в движении микрочастиц, и объяснить таковое можно лишь наличием "свободы воли" у электрона, а это уже явная чертовщина" (Г.А. Курсанов. Диалектический материализм о пространстве и времени// Вопросы философии, № 3, 1950, с. 188).
Для марксистов происходящее в науке давно стало напоминать "чертовщину", поскольку путало все их планы, заключавшиеся в том, чтобы сделать науку своим союзником в борьбе с религией и воскресающей схоластической философией. Будучи достаточно дальновидными, марксисты понимали, сколь многим они обязаны новоевропейской философии, в том числе Спинозе и Гегелю, и сколь важную роль играли в системах этих философов принципы детерминизма и непрерывности. Марксисты были даже настолько проницательны, что усмотрели в критике новоевропейской философии опасность возрождения схоластики. Так, советский философ, академик Марк Борисович Митин (которого коллеги за глаза называли Мрак Борисович) в статье ""Материализм и эмпириокритицизм" В.И. Ленина и борьба против современной идеалистической реакции", опубликованной в журнале "Вопросы философии" №1 за 1949 г. писал:
"Так связываются в один узел беспросветная схоластика и идеализм середины XX века с реакционнейшими социально-политическими устремлениями идеологов современного капиталистического рабства" (Б.М. Митин. «Материализм и эмпириокритицизм» В.И. Ленина и борьба против современной идеалистической реакции// Вопросы философии, № 1, 1949, с. 74).
Впрочем, еще в 1920-е годы призрак возрождающейся схоластики не давал покоя марксистам, например, И. Аголу, писавшему в своей статье в журнале "Под знаменем марксизма" № 3 за 1926 год следующее:
"Кто даже кое-как просматривал естественнонаучную литературу за последние двадцать пять - тридцать лет, тот, несомненно, заметил, что, с усилением классовых и национальных конфликтов на почве утверждавшегося империализма, давно забытые покойники зашевелились в своих гробах, стали стучать своими разваливающимися костяшками о крыши гробов и требовать выхода на солнечный свет[...]. И вот тут-то появляются попытки воскресить мертвецов. Услужливыми руками вытаскиваются из архива запыленные и пожелтевшие от времени метафизические фолианты, а вместе с ними и мощи старых богов […] и прочая церковная рухлядь" (И. Агол. Метафизика и диалектика в биологии// Под знаменем марксизма, № 3, 1926, сс. 118-119). О том, насколько пророчески прав оказался И. Агол в своем видении воскресающей схоластики, пойдет речь в следующих двух лекциях.