(г[2]) Эксперименты Луммера—Прингсгейма

Рассмотрим другой якобы решающий эксперимент. Планк утверждал, что эксперименты Луммера и Прингсгейма, которые “опровергли” законы излучения Вина, Рэлея и Джинса, на рубеже столетия стали истоками — и даже “вызвали к жизни” — квантовую теорию 254 Но и в этом случае роль экспериментов была гораздо сложнее и во многом соответствовала нашему подходу. Слишком просто было бы сказать, что эксперименты Луммера—Прингсгейма положили конец классической теории, но были адекватно объяснены квантовой физикой. Прежде всего, надо отметить, что первые варианты квантовой теории Эйнштейна имели своим следствием

134

закон Вина и потому были не в меньшей степени опровергнуты экспериментами Луммера—Прингсгейма, чем классическая теория 255 Далее, для формул Планка предлагались некоторые вполне классические объяснения Так, на заседании Британской Ассоциации в поддержку научного прогресса в 1913 г работала специальная секция по излучению, на которой, помимо прочих, присутствовали Джине, Рэлей, Дж Дж Томпсон, Лармор, Резерфорд, Брэгг, Пойнтинг, Лоренц, Прингсгейм и Бор Прингсгейм и Рэлей были подчеркнуто найтральны по отношению к теоретическим спекуляциям вокруг квантов, но проф Лав “выступал как приверженец старых концепций и утверждал, что явления излучения можно объяснять без теории квантов. Он критиковал экви-партициональную теорию энергии, на которой покоится квантовая теория. Самые важные данные в пользу квантовой теории — это согласие с экспериментами формулы Планка для излучения черного тела. С математической точки зрения, могут существовать и другие формулы, столь же хорошо согласующиеся с экспериментами. Например, формула, предложенная А.Корном, описывающая результаты измерений в широком диапазоне, так же хорошо совпадает с экспериментальными данными, как и формула Планка. Продолжая отстаивать взгляд, по которому ресурсы обычной теории не исчерпаны, он отметил, что вычисления Лоренца, верные для излучений в тонком слое, могут быть распространены и на другие случаи Согласно такому подходу, никакое простое аналитическое выражение не может

135

охватить собой результаты всего диапазона длин волн; вполне возможно, что нет никакой общей формулы, применимой ко всем длинам волн. Поэтому формула Планка может быть всего лишь эмпирической формулой”.256

Пример классического объяснения приводит Кэллендэр: “Несовпадение с экспериментом хорошо известной формулы Вина для распределения энергии в полном излучении вполне объяснимо, если допустить, что она выражает только внутреннюю энергию. Как показано лордом Рэлеем, соответствующее значение давления легко получается из принципа Карно. Предложенная мною формула (Phil. Mag., October, 1913) выражает простую сумму давления и плотности энергии и хорошо согласуется с экспериментальными данными как для излучаемой, так и для обычной тепловой энергии. Я бы предпочел ее формуле Планка, помимо прочего, потому, что последняя не может быть согласована с с классической термодинамикой, поскольку опирается на немыслимое понятие “кванта” или неделимой единицы действия. Соответствующая физическая величина в моей теории, которую я в другой своей работе назвал молекулой тепла, не обязана быть неделимой и находится в очень простом отношении с внутренней энергией атома; этого вполне достаточно, чтобы объяснить, почему энергия в особых случаях излучается неделимыми порциями, величина которых всегда кратна некоторой постоянной”.257

Подобные цитаты, если ими злоупотреблять могут вызвать скуку, однако они, по крайней мере, убеждают в том, что никаких

136

быстро признаваемых решающих экспериментов нет. Опровержение Луммера и Прингсгейма не устранило классический подход к проблеме излучения. Мы лучше поймем ситуацию, если обратим внимание на то, что первоначальная планковская формула ad hoc, которая подгоняла (и исправляла) данные Луммера и Прингсгейма,258 могла быть объяснена прогрессивным образом лишь в новой квантовой теоретической программе259 в то же время ни эта формула, ни ее “полу-эмпирические” соперницы не могли найти объяснения в рамках классической программы иначе, чем ценой регрессивного проблемного сдвига. “Прогрессивное” развитие, кроме того. зависело и от “креативного сдвига”: замещения статистики Больцмана—Максвелла статистикой Бозе—Эйнштейна (это было сделано Эйнштейном).260 Прогрессивность нового развития была более чем очевидной: в версии Планка было правильно предсказано значение постоянной Больцмана—Планка, в версии Эйнштейна была предсказана целая серия впечатляющих новых фактов.261 Но до выдвижения новых, к сожалению ad hoc, вспомогательных гипотез в рамках старой программы, до развертывания новой программы и открытия новых фактов, свидетельствующих о прогрессивном сдвиге проблем в последней, — до всего этого объективное значение экспериментов Луммера—Прингсгейма было весьма ограниченным.

(г[3]) b - распад против законов сохранения

Наконец, рассмотрим историю эксперимента, который чуть ли не стал еще одним

137

“величайшим негативным экспериментом истории науки”. Это послужит еще одной иллюстрацией того, как трудно в точности решить, чему учит нас опыт, что он “доказывает” и “опровергает” Нам предстоит внимательно проанализировать “наблюдение” Чедвиком ( b-распада в 1914 г. Мы увидим, что эксперимент, который вначале рассматривался как обычная головоломка в рамках исследовательской программы, затем был возведен в ранг “решающего эксперимента”, но потом опять низведен до обычной головоломки — и все это в зависимости от целостного изменения теоретического и эмпирического ландшафта Эти изменения ввели в заблуждение многих летописцев, привыкших к определенным историческим стереотипам, что и привело к искажениям действительной истории 262

Когда Чедвик открыл непрерывный спектр радиоактивного ( b-излучения в 1914 г , никто не мог подумать, что этот курьезный феномен имеет какое-то отношение к законам сохранения. В 1922 г были предложены два остроумных объяснения, соперничавших одно с другим Оба объяснения исходили из атомной физики того времен. Одно принадлежало Л.Мейтнер, другое К.Эллису. Согласно Л.Мейтнер, электроны частью были первичными, исходящими из ядер, частью вторичными — из электронных оболочек По Эллису, все электроны были первичными Обе теории опиралилсь на утонченные вспомогательные гипотезы, но обе предсказывали новые факты. Предсказанные факты противоречили друг другу, а экспериментальные данные поддержали теорию Эллиса.263 Л. Мейтнер апелли-

138

ровала, “апелляционный суд” экспериментаторов отклонил ее иск, но отметил, что одна из вспомогательных гипотез в теории Эллиса, имеющая принципиальное значение, должна быть отвергнута.264 Спор закончился вничью.

И никто бы не подумал, что эксперимент Чедвика поставит под сомнение закон сохранения энергии, если бы Бор и Крамере не пришли в то же самое время, когда разгорался спор между Мейтнер и Эллисом, к идее о том, что последовательная теория может быть развита лишь при условии, что принцип сохранения энергии в единичных процессах будет отринут Одна из главных особенностей захватывающей теории Бора Крамерса— Слэтера (1924 г ) заключалась в том, что классические законы сохранения энергии и импульса уступают место статистическим законам.265 Эта теория (или, скорее, “программа”) была сразу же “опровергнута” и ни одно следствие ее не нашло подкрепления; она так и не была разработана настолько, чтобы объяснить р-распад.

Но несмотря на столь быстрое отвержение этой программы, — дело было не только в “опровержении” Комптона и Саймона и эксперименте Боте и Гейгера, но и в возникновении мощной соперницы: программы Гейзенберга—Шредингера266 — Бор остался при убеждении, что нестатистические законы сохранения в конце концов должны быть отброшены и что бета-распадная аномалия никогда не найдет надлежащего объяснения, пока эти законы не будут замещены, если бы это произошло, р-распад стал бы пониматься как решающий эксперимент, свидетельствую-

139

щий против законов сохранения. Гамов рассказывает, как Бор пытался применить идею несохранения энергии при р-распаде для остроумного объяснения по-видимому вечного воспроизводства энергии в звездах.267 Только Паули со своим мефистофельским стремлением бросить вызов Господу остался консерватором268 и в 1930 г. выдвинул свою теорию нейтрино, чтобы объяснить ( b-распад и вместе с тем спасти принцип сохранения энергии. О своей идее он сообщил в шутливом письме на конференцию в Тюбингене, сам же предпочел остаться в Цюрихе, чтобы поболеть за бейсбольную команду.269 Впервые об этой идее он публично заявил на лекции в Пасадене (1931 г.), но не согласился на публикацию своей лекции, ибо ощущал “неуверенность” В это время (1932 г.) Бор все еще полагал, что, по крайней мере, в ядерной физике можно “отказаться от самой идеи сохранения энергии”.270 Наконец, Паули решил опубликовать свои размышления о нейтрино, представив их на Сольвеевский конгресс в 1933 г., несмотря на то, что “реакция конгресса, за исключением двух молодых физиков, была скептической”.271 Но теория Паули имела некоторые методологические преимущества. Она спасала не только принцип сохранения энергии, но и принцип сохранения спина и статистику; она объяснила не только спектр р-распада, но и “азотную аномалию”.272 По критериям Уэвелла, это “совпадение индукций” должно быть достаточным, чтобы упрочить репутацию теории Паули. Но по нашим критериям, для этого необходимо еще и успешное предсказание новых фактов. Теория Пау-

140

ли удовлетворяла и этому критерию. У нее имелось интересное наблюдаемое следствие:

Р-спектр должен иметь ясную верхнюю границу. В то время проблема была открыта, но Эллис и Мотт уже занимались ей,273 и вскоре ученик Эллиса Гендерсон показал, что их эксперименты говорят в пользу программы Паули.274

На Бора это не произвело впечатления. Он знал, что если основная программа, в основу которой легло понятие статистического сохранения энергии, продолжает успешно развиваться, растущий пояс вспомогательных гипотез принимает на себя соответствующие обязанности по защите от наиболее опасных негативных данных.

И в самом деле, в эти годы большинство ведущих физиков полагало, что в ядерной физике законы сохранения энергии и импульса пали.275 Причина была ясно указана Л. Мейтнер, признавшей свое поражение только в 1933 г. “Все попытки поддержать значимость закона сохранения энергии также и для индивидуального атомного процесса основывались на предположении еще и другого процесса в р-распаде. Но такой процесс не был найден . . .”;276 другими словами, программа, основанная на законах сохранения для атомных ядер, обнаружила эмпирически регрессирующий проблемный сдвиг. Имелись отдельные остроумные попытки объяснить непрерывность спектра b-излучения без допущения “нелегальной частицы”.277 Они вызвали большой интерес,278 но были отвергнуты, поскольку не смогли обеспечить прогрессивный сдвиг.

141

В этот момент на сцену вышел Ферми. В 1933—1934 гг. он переинтерпретировал проблему р-излучения в рамках исследовательской программы новой квантовой теории. Тем самым он положил начало малой новой исследовательской программе нейтрино (которая позднее переросла в программу слабых взаимодействий). Он вычислил несколько первых приближенных моделей.279 Хотя его теория не предсказала каких-либо новых фактов, он дал понять, что дело только за дальнейшими разработками.

Прошло два года. а обещание Ферми все еще не было выполнено. Однако новая программа квантовой физики развивалась быстро, по крайней мере, в той ее части, в какой она касалась не-ядерных явлений. Бор стал убеждаться в том, что некоторые исходные идеи программы Бора—Крамерса—Слэтера теперь были прочно связаны с новой квантовой программой, и что последняя разрешила внутренние теоретические проблемы старой квантовой программы, не затрагивая при этом законов сохраненияя. Поэтому Бор сочувственно следил за работами Ферми и в 1936 г., т е. несколько нарушая обычную последовательность событий, оказал им, по нашим критериям слегка преждевременно, публичную поддержку.

В 1936 г. Шенкланд придумал новый способ проверки соперничающих теорий рассеяния фотона. Его результаты, казалось, поддержали уже списанную за негодностью теорию Бора—Крамерса—Слэтера и подорвали доверие к экспериментам, которые более десятилетия назад опровергали ее.280 Статья

142

Шенкланда произвела сенсацию. Те физики, которые питали неприязнь к новым путям исследования, сразу были готовы приветствовать эксперименты Шенкланда. Например, Дирак немедленно выразил удовлетворение по поводу возвращения “опровергнутой” программы Бора—Крамерса—Слэтера и написал очень острую статью против “так называемой квантовой электродинамики”, в которой требовал “глубоких перемен в современных теоретических идеях, включая отказ от законов сохранения, чтобы получить удовлетворительную релятивистскую квантовую механику”.281 Кроме того, в этой статье Дирак утверждал, что b-распад вполне может стать одним из решающих доказательств, свидетельствующих против законов сохранения, и высмеивал “новую ненаблюдаемую частицу, нейтрино, которую некоторые исследователи постулировали, чтобы формально удержать принцип сохранения энергии, предполагая. что именно эта ненаблюдаемая частица ответственна за нарушение энергетического равновесия”.282 Впоследствии в дискуссию вступил Пайерлс. Он утверждал, что эксперимент Шенкланда может стать опровержением даже статистического принципа сохранения энергии. И добавлял: “Это, по-видимому, также хорошо, поскольку прежнюю концепцию сохранения приходится отвергнуть”.283

В Копенгагенском институте Бора эксперименты Шенкланда были немедленно воспроизведены и признаны негодными Якобсен, коллега Бора, сообщил об этом в письме в “Nature”. Результаты Якобсена сопровождались заметкой самого Бора, который,

143

твердо выступил против бунтарей и в защиту новой квантовой механики Гейзенберга. В частности, он защищал идею нейтрино от Дирака: “Нужно заметить, что основания для серьезных сомнений в строгой справедливости законов сохранения при испускании ( b-лучей атомным ядром сейчас в основном устранены благодаря многообещающему согласию между быстро увеличивающимися экспериментальными данными по явлениям ( b-излучения и следствиями нейтринной гипотезы Паули, столь блестяще развитой в теории Ферми”.284

Теория Ферми в ее первом варианте не имела заметного эмпирического успеха. Более того, имевшиеся тогда данные, особенно относящиеся к случаю RaE, вокруг которого концентрировались исследования (b-излучения, резко противоречили теории Ферми 1933—1934 гг. Он хотел разобраться с этой проблемой во второй части своей статьи, которая, однако, не была опубликована. Даже если видеть в теории Ферми первый вариант способной к дальнейшему развитию программы, до 1936 г невозможно обнаружить какие-либо заслуживающие внимания признаки прогрессивного сдвига.285 Но Бор хотел своим авторитетом поддержать отважную попытку Ферми применить новую большую программу Гейзенберга к атомным ядрам; а поскольку эксперимент Шенкланда и атаки Дирака и Пайерлса поставили ( b-распад в фокус критики этой новой программы, он не скупился на похвалы нейтринной программы Ферми, которая обещала заполнить ощутимую брешь. Без сомнения, последующее раз-

144

витие нейтринной программы спасло Бора от драматического унижения: программы, основывающиеся на принципах сохранения прогрессировали, тогда как в соперничающем лагере не было никакого прогресса.286

Мораль сей истории опять-таки заключается в том, что статус “решающего” эксперимента зависит от характера теоретической конкуренции, в которую он вовлечен. Интерпретация и оценка эксперимента зависит от того, терпит ли исследовательская программа неудачу в соперничестве, или же Фортуна поворачивается к ней лицом.

Научный фольклор нашего времени, однако, перенасыщен теориями скороспелой рациональности. Рассказанная мной история фальсифицирована в большинстве описаний и реконструирована на основании ошибочных теорий рациональности. Такими фальсификациями полны даже лучшие популярные изложения. Я приведу только два примера.

В одной статье мы читаем о ( b-распаде следующее: “Когда эта ситуация возникла впервые, альтернативы выглядели мрачно. Физики были поставлены перед выбором: либо согласиться с крахом закона сохранения энергии, либо поверить в существование новой и невиданной частицы. Эта частица, испускаемая вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона, могла спасти устои физики, поскольку предполагалось, что именно она отвечает за энергетическое равновесие. Это было в начале 30-х гг., когда введение нозой частицы еще не было столь обычным, как сегодня. Тем не менее, лишь слегка поколебавшись, физики выбрали вторую воз-

145

можность”.287 На самом же деле и выбор был вовсе не из двух возможностей, и “колебания” были совсем не легкими.

В хорошо известном учебнике по философии физики мы узнаем, что (1) “закону (или принципу) сохранения энергии был брошен серьезный вызов экспериментами по ( b-распаду, результаты которых были неоспоримы”; (2) “тем не менее, закон не был отброшен, и было допущено существование новых частиц (“нейтрино”), чтобы привести этот закон в соответствие с экспериментальными данными”; (3) “основанием для этого допущения было то, что отрицание закона сохранения лишило бы значительную часть нашего физического знания его систематической связности”.288-289

Все три пункта — ошибочны Первый ошибочен, ибо никакой закон не может быть поставлен под сомнение из-за одного только эксперимента. Второй — ибо новые научные гипотезы нужны не для того только, чтобы заделывать трещины между данными и теорией, но для того, чтобы предсказывать новые факты. Третий ошибочен потому, что все было наоборот: тогда казалось, что только отрицание закона сохранения спасло бы “систематическую связность” нашего физического знания.

1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19