Попробуйте почитайте англоязычные источники по истории химии и поищите в них упоминание таблицы Менделеева. Вы будете удивлены, но все-таки убедитесь, что такая формулировка тщательно избегается. Настойчиво и как-то политкорректно пишут о «периодической системе элементов». С упоминанием не только Менделеева, но и всех причастных, акцентируя роль Мейера, Деберейнера и Шанкуртуа с не меньшим пафосом, чем определяющую роль открытия второго фронта на заключительном этапе Второй мировой войны.

Отдавая должное уважаемым западным партнерам Менделеева и лично Роберту Бунзену, у которого Дмитрий Иванович учился в 1859-1861, отметим, что Менделеев вошел в историю науки не как классификатор известного, подобно Линнею, а как визионер, сумевший спрогнозировать еще не открытые элементы и, что более важно в контексте этой статьи – правильно расположить йод и теллур, несмотря на то, что теллур тяжелее йода.

В настоящее время таблицу Менделеева замыкает оганессон (Og) № 118. Он расположен ровно под радоном (№ 86) и, по логике Менделеева, должен представлять собой благородный газ, так как замыкает седьмой период. Но с завершением этого самого удивительного, эфемерного и взрывоопасного периода, вместившего в себя уран, плутоний, менделевий, флеровий и оганессон, вновь актуализируются вопросы: а где заканчивается таблица Менделеева? И до самого ли ее предела соблюдается периодический закон? Удивительно, но впервые ответ на этот вопрос довольно уверенно дал еще Ричард Фейнман.

При этом он опирался на традиционную модель атома, предложенную Бором. Как известно, в модели Бора ядро атома окружено облаком электронов, и электроны обращаются вокруг ядра лишь по строго определенным разрешенным орбитам. Электрон не может занимать промежуточную орбиту, но может переходить с одной разрешенной орбиты на другую. Такой переход происходит мгновенно с излучением или поглощением кванта энергии и называется «квантовый скачок».

Скорость электрона в конкретном квантовом состоянии вычисляется по следующей формуле

где Z – атомный номер, соответствующий количеству протонов в ядре атома и, соответственно, количеству электронов, обращающихся вокруг нейтрального атома. Здесь же n – это квантовое состояние электрона, а — постоянная тонкой структуры. Постоянная тонкой структуры вычисляется по формуле

где e – элементарный заряд, h – постоянная Планка, а e0 – диэлектрическая постоянная, также именуемая свободной проницаемостью вакуума.

Соответственно, чем дальше от ядра находится внешняя электронная оболочка атома, тем выше скорость движущегося по ней электрона. Ричард Фейнман вычислил, что при Z = 137 скорость электрона будет чуть ниже, чем скорость света. Если следовать этой логике, элемент с атомным номером 138 существовать не может; в противном случае, его крайний электрон превысил бы скорость света.

Резерфордий и беззаконие

Тем не менее, на практике все оказывается сложнее. Во-первых, в ядрах тяжелых и сверхтяжелых элементов начинают проявляться релятивистские эффекты. Расчеты, прогнозирующие, где может закончиться таблица Менделеева, основаны на теории относительности. При увеличении ядра в нем становится все больше протонов, а значит, возрастает и сила притяжения, воздействующая на электроны. Соответственно, скорость крайних электронов растет, все существеннее приближаясь к скорости света.

При таких скоростях электроны становятся «релятивистскими», и свойства этих элементов не вполне объяснимы одним лишь положением элемента в таблице. Некоторые из подобных эффектов заметны невооруженным глазом. Так, в атомах золота электроны обращаются вокруг ядра со скоростью примерно вдвое меньше световой. Из-за этого очертания орбиталей изменяются так, что золото поглощает голубую часть видимого спектра, а остальные фотоны от него отражаются. Мы наблюдаем белый свет минус сине-фиолетовую составляющую, и в результате золото приобретает характерный желто-рыжий блеск, которым выделяется на фоне окружающих его серебристых металлов.

Еще в 1990-е были поставлены первые эксперименты, показавшие, что резерфордий (104) и дубний (105) проявляют не те свойства, что положены им в соответствии с позициями в периодической системе. Согласно периодическому закону, они должны напоминать по свойствам те элементы, что расположены прямо над ними, соответственно, гафний и тантал. На самом же деле, резерфордий реагирует подобно плутонию, расположенному довольно далеко от него, а дубний – как протактиний. С другой стороны, сиборгий (106) и борий (107) следуют закону, выведенному Менделеевым.

Дальше – больше. Оказывается, рентгений (111) сближается по свойствам с астатом, а не с золотом, а коперниций (112) тяготеет по свойствам к благородным газам, даже сильнее, чем оганессон (118). Вероятно, теннессин (117) по свойствам скорее похож на галлий, а нихоний (113) сравним со щелочными металлами. Все эти аномалии связаны со все более выраженным проявлением релятивистских эффектов в сверхкрупных атомах.

Немного о корпускулярно-волновом дуализме

Боровская модель атома в той трактовке, согласно которой таблицу должен замыкать элемент № 137, также не вполне соответствует реальному положению вещей. Предмет квантовой физики гораздо сложнее, чем предмет классической; как правило, квантовые феномены не имеют наглядного аналога на макроуровне. Например, в соответствии с законами классической физики, электроны, обращающиеся вокруг ядра, обязаны падать на ядро, а атомы – схлопываться.

Казалось бы, само существование атома является опровержением законов физики. Но на самом деле все иначе. Классические законы непоколебимы, но электроны не падают на ядро, поскольку, строго говоря, электрон – не частица. Электрон подчиняется корпускулярно-волновому дуализму, то есть, одновременно проявляет черты частицы и волны, и поэтому не падает на ядро. Тем не менее, даже с учетом корпускулярно-волнового дуализма скорость электрона не может превышать скорость света в вакууме.

Мистер Фейнман собственной персоной

Ричард Фейнман считал, что при атомном числе более Z =137 нейтральный атом существовать не может. Дело в том, что, согласно релятивистскому уравнению Дирака, при больших значениях Z основное энергетическое состояние электрона, ближайшего к ядру, будет выражаться мнимым числом. Однако, такая аргументация предполагает, что ядро является точечным. Если же допустить, что ядро имеет пусть минимальный, но не нулевой физический размер, то таблица Менделеева должна продолжаться до Z≈173.

Что дальше

Считается, что для Z ≈ 173 1s-подоболочка под действием электрического поля ядра «погружается» в отрицательный континуум (море Дирака), что приводит к спонтанному рождению электрон-позитронных пар и, как следствие, к отсутствию нейтральных атомов выше элемента Ust (Унсепттрий) с Z = 173. Атомы с Z > Zcr 173 называются суперкритическими атомами. Предполагается также, что элементы с Z > Zcr могут существовать только в качестве ионов.

Суперкритические атомы не могут быть полностью ионизированы, поскольку на их первой электронной оболочке будет бурно происходить спонтанное рождение пар, при котором из моря Дирака всплывают электрон и позитрон, причем, электрон вплетается в атом, а позитрон улетает. Правда, поле сильного взаимодействия, окружающее атомное ядро, очень короткодействующее, так что принцип запрета Паули не допускает дальнейшего спонтанного рождения пар после заполнения тех оболочек, что погружены в море Дирака.

Элементы 173–184 названы слабо суперкритическими атомами, поскольку у них в море Дирака погружена только оболочка 1s; предполагается, что оболочка 2p1/2 будет полностью заполняться около элемента 185, а оболочка 2s – около элемента 245. Пока не удалось экспериментально добиться спонтанного рождения пар, пытаясь собрать суперкритические заряды путем столкновения тяжелых ядер (например, свинца с ураном, что могло бы дать Z = 174; урана с ураном, что дает Z = 184 и урана с калифорнием, что дает Z = 190). Возможно, в финале таблицы Менделеева ключевую роль будет играть ядерная нестабильность, а не нестабильность электронных оболочек.

Наконец, предполагается, что в регионе за Z > 300 может скрываться целый континент стабильности, состоящий из гипотетической кварковой материи (она же – квантово-хромодинамическая материя). Такая материя может состоять из свободных верхних и нижних кварков, а не из кварков, связанных в протоны и нейтроны. Предполагается, что это основное состояние барионной материи, обладающей большей энергией связи на барион, чем ядерная материя. Если такое состояние вещества реально, то, возможно, синтезировать его можно в ходе термоядерных реакций обычных сверхтяжелых ядер. Продукты таких реакций, благодаря высокой энергии связи, должны вполне преодолевать кулоновский барьер.

Пока все это теория, и мы, повторимся, успели заполнить лишь 7-й период таблицы Менделеева к 150-летию открытия Периодического Закона (1869-2019). Так или иначе, период полураспада новых тяжелых элементов стремительно сокращается; если у резерфордия-267 он составляет около 1,3 часов, то у рентгения-282 – всего 2,1 минуты, а у оганессона исчисляется сотнями микросекунд. Таким образом, финал близок, а за ним может открыться сиквел или режиссерская версия материального мира. Путь туда лежит через субсветовые орбитали фейнмания.

Источник

Данная статья относится к Категории: Научные теории

«Нам необыкновенно повезло, что мы живём в век, когда ещё можно делать открытия. Это как открытие Америки, которую открывают раз и навсегда. Век, в который мы живем, это век открытия основных законов природы, и это время уже никогда не повторится. Это удивительное время, время волнений и восторгов, но этому наступит конец. Конечно, в будущем интересы будут совсем другими. Тогда будут интересоваться взаимосвязями между явлениями разных уровней - биологическими и т. п. или, если речь идет об открытиях, исследованием других планет, но все равно это не будет тем же, что мы делаем сейчас».

Ричард Фейнман, Характер физических законов, М., «Наука», 1987 г., с. 158.

«Теперь я хочу рассказать Вам об искусстве угадывания законов природы. Это действительно искусство. Как же это делается? Для того чтобы попытаться получить ответ на этот вопрос, можно, например, обратиться к истории науки и посмотреть, как это делали другие. Вот поэтому мы и займёмся историей.

Нам нужно начать с Ньютона. Он находился в таком положении, что его знания были неполными, и он мог угадывать законы, сопоставляя понятия и представления, которые лежали близко к эксперименту. Между наблюдениями и экспериментальной проверкой не было дистанции огромного размера. Таков первый способ, но сегодня при его помощи вам вряд ли удастся добиться успеха.

Следующим великим физиком был Максвелл, открывший законы электричества и магнетизма. Вот что он сделал. Он объединил все законы электричества, открытые Фарадеем и другими учёными, работавшими до него, разобрался в том, что у него получилось, и понял, что с математической точки зрения один из этих законов противоречит другим. Для того чтобы всё это выправить, ему нужно было добавить в уравнения ещё одно слагаемое. Так он и сделал, придумав для себя модель из расположенных в пространстве шестерёнок и зубчатых колес. Он нашёл, каким должен быть новый закон, но никто не обращал на этот закон никакого внимания, так как никто не верил в его механизмы. Сегодня мы тоже не верим в эти механизмы, но полученные Максвеллом уравнения оказались правильными. Так что рассуждения могут быть неправильными, а ответ - верным.

В случае с теорией относительности характер открытия был совершенно другим. К этому времени накопилось много парадоксов: известные законы давали взаимно исключающие результаты. Формировался новый тип анализа - с точки зрения возможной симметрии физических законов. Ситуация была особенно сложной, ибо впервые стало ясно, что законы (и пример тому законы Ньютона) очень долго могут считаться правильными и всё же в конце концов оказаться неверными. Кроме того, было трудно поверить, что могут быть неверными такие обычные, казалось бы, от рождения нам присущие представления о пространстве и времени.

К открытию квантовой механики мы пришли двумя совершенно разными путями - и пусть это послужит нам уроком. Здесь вновь, и даже в большей степени, накопилось огромное число парадоксов, открытых экспериментальным путем, и их никак не удавалось разрешить на основании уже известных законов. Дело было не в том, что нам не хватало знаний, а в том, что их было слишком много. Вы предсказываете, что должно происходить одно, а на самом деле происходит совсем другое. Два разных пути были выбраны Шредингером, который угадал основное направление, и Гейзенбергом, утверждавшим, что нужно исследовать только то, что может быть измерено. Эти два совершенно различных философских подхода привели в конце концов к одному открытию.

В самое последнее время в связи с открытием уже упомянутых мною законов слабых взаимодействий (распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, о которых далеко ещё не всё известно) возникла совсем другая ситуация. На этот раз нам просто не хватало знаний и догадки строились лишь о виде уравнений. Но теперь особенную трудность представляло то, что все эксперименты оказались неправильными. А как можно угадать правильный ответ, если каждый теоретический результат расходится с экспериментом? Для того чтобы утверждать, что эксперимент неверен, требуется немалое мужество.

Сейчас у нас нет парадоксов, по крайней мере, на первый взгляд. Правда, у нас есть эти бесконечности, которые вылезают наружу при попытке объединить все законы в единое целое, но люди так набили руку на том, как прятать весь мусор под ковёр, что порой начинает казаться, будто это не так уж серьёзно. Как и прежде, то, что мы открыли все эти частицы, ни о чём не говорит кроме того, что наши знание неполны. Я уверен, что в физике история не повторится, как это видно из уже приведенных примеров, и вот почему. Любая схема типа «ищите законы симметрии», или «запишите всё, что Вы знаете, в математической форме», или угадайте уравнения» сейчас уже всем известна, и такими схемами все время пытаются пользоваться.

Если Вы застряли, ответ не может быть получен по одной из этих схем потому, что прежде всего Вы попробовали использовать именно их. Каждый раз нужно искать новый путь. Каждый раз, когда образуется длительный затор, когда накапливается слишком много нерешённых задач, это происходит потому, что мы пользуемся теми же методами, которыми пользовались раньше. Новую же схему, новое открытие нужно искать совсем на другом пути. Так что от истории науки не следует ждать особой помощи.

Хочу остановиться теперь коротко на идее Гейзенберга, согласно которой не нужно говорить о том, что всё равно нельзя измерить. Дело в том, что об этом толкуют многие, по-настоящему не понимая смысла этого утверждения.

Его можно интерпретировать следующим образом: Ваши теоретические построения или открытия должны быть такими, чтобы выводы из них можно было сравнивать с результатами эксперимента, т. е. чтобы из них не получилось, что «один тук равняется трём нукам», причем никто не знает, что такое эти самые тук и нук. Ясно, что так дело не пойдёт. Но если теоретические результаты можно сравнить с экспериментом, то это все, что нам требовалось. Это вовсе не значит, что Ваши туки и нуки не могут появляться в первоначальной гипотезе. Вы можете впихнуть в Вашу гипотезу сколько угодно хлама при условии, что её следствия можно будет сравнить с результатами экспериментов. А это не всем до конца понятно.

Часто приходится слышать жалобы на то, что мы совершенно необоснованно распространяем на сферу атомной физики наши представления о частицах, траекториях и т. п. Но ведь это совсем не так, в подобной экспансии нет ничего необоснованного. Мы просто обязаны, мы вынуждены распространять всё то, что мы уже знаем, на как можно более широкие области, выходить за пределы уже постигнутого. Опасно? Да. Ненадёжно? Да. Но ведь это единственный путь прогресса. Хотя этот путь неясен, только на нём наука оказывается плодотворной. Ведь наука приносит пользу только тогда, когда говорит Вам о ещё непоставленных экспериментах. Она никому не нужна, если позволяет судить лишь о том, что известно из опыта, что только что произошло. Поэтому всегда необходимо распространять идеи за рамки того, на чем они уже опробованы.

Например, закон всемирного тяготения, который был придуман для объяснений движения планет, был бы бесполезен, если бы Ньютон просто сказал; «Теперь я знаю, как ведут себя планеты», - и не считал бы себя вправе применять его к силам притяжения Луны Землей, а его последователи - предполагать: «А может быть, и галактики удерживаются силами тяготения». Мы должны пробовать такие идеи. Конечно, можно сказать: «Когда переходишь к масштабам галактик, можно ожидать чего угодно, поскольку мы ничего об этом не знаем». Верно, но такое ограничение - это конец науке. Сейчас у нас нет окончательно выработавшегося представления о законах поведения галактик. Если же предположить, что их поведение целиком объясняется уже известными законами, такое предположение будет конкретным и определённым, и его легко экспериментально опровергнуть. Гипотезы именно такого рода, вполне определённые и легко сравнимые с экспериментом, мы и ищем. На самом деле, все известное нам о поведении галактик на сегодняшний день не опровергает, по-видимому, предположения, сделанного нами выше. Можно привести ещё один пример, ещё более интересный и важный. Самой плодотворной мыслью, сильнее всего стимулирующей прогресс в биологии, является, по-видимому, предположение о том, что всё, что делают животные, делают атомы, что в живой природе все результат каких-то физических и химических процессов, а сверх этого ничего нет. Конечно, всегда можно сказать: «Когда переходишь к живой природе, все возможно». Но если Вы встанете на такую точку зрения, Вы никогда не поймёте законов живой природы. Понятно, очень трудно поверить, что извивающиеся щупальца осьминога - это лишь игра атомов, подчиняющихся известным законам физики. Но если исследовать такое движение, пользуясь подобной гипотезой, то оказывается, что мы можем довольно точно угадывать его характер. А тем самым мы добиваемся большого прогресса.

В догадках нет ничего ненаучного, хотя многие не занимающиеся наукой и думают, что это так. Несколько лет назад мне пришлось разговаривать с одним дилетантом о летающих тарелках: поскольку я учёный, я должен знать о летающих тарелках всю подноготную! Я объяснил ему, что не думаю, чтобы летающие тарелки действительно существовали. Это возмутило моего собеседника. «Разве существование летающих тарелок невозможно? Разве Вы можете доказать, что это невозможно?» - горячился он. «Нет, - отвечаю я, - доказать этого я не могу. Просто что очень маловероятно». - «Но рассуждать так совершенно ненаучно, - продолжал наступать мой оппонент, - если Вы не можете доказать, что это невозможно, как же можно позволить себе говорить, что это маловероятно?» Но это и есть самый научный способ рассуждений. Наука говорит как раз о том, что более и что менее вероятно, а не доказывает каждый раз, что возможно, а что нет. Если бы я хотел высказаться более определённо, то мне нужно было бы сказать так: «Видите ли, на основании своих представлений об окружающем нас мире я считаю, что сообщения о летающие тарелках являются скорее результатом известной иррациональности мышления жителей нашей планеты, чем неизвестных рациональных усилий мыслящих существ с других планет». Просто первое из предположений гораздо более правдоподобно, и всё тут. Это просто хорошая гипотеза. А мы всегда стараемся придумать самое правдоподобное объяснение, не забывая при этом о том, что если оно вдруг окажется негодным, нам придется заняться исследованием других возможностей.

Но как угадать, что нужно сохранять, а чем можно и пожертвовать? У нас столько прекрасных принципов и известных фактов - и всё-таки у нас не сходятся концы с концами. То мы вновь получаем бесконечно большие значения, то наше объяснение оказывается неполным - чего-то недостаёт. Иногда это значит, что нам нужно расстаться с какой-то идеей. По крайней мере в прошлом всегда оказывалось, что для того чтобы выйти из аналогичного затруднения, приходилось пожертвовать каким-то глубоко укоренившимся представлением. Весь вопрос как раз и сводится к тому, что сохранить, а что отбросить. Если пожертвовать сразу всем, то это заведёт нас слишком далеко, и у нас практически ничего не останется для работы. В конце концов, закон сохранения энергии кажется разумным, он удобен, и мне не хотелось бы с ним расстаться. Для того чтобы угадать, что сохранить и что отбросить, требуется немалое мастерство. По-правде говоря, я вполне допускаю, что дело здесь только в удаче, но выглядит все именно так, как если бы для этого требовалось большое мастерство.

Амплитуды вероятностей выглядят очень странно, и с первого взгляда Вы совершенно уверены, что эта новая теория безусловно нелепа. Но всё, что можно вывести из представления о квантовомеханических амплитудах вероятности, как бы странно это представление ни выглядело, оказывается верным, и так на протяжении всей теории странных частиц, на все 100 %. Поэтому я не думаю, что когда мы откроем законы внутренней структуры нашего мира, эти представления окажутся неправильными Мне кажется, что эта часть физики правильна, но я только высказываю предположение, я рассказываю Вам, как я строю догадки. В то же время теория, согласно которой пространство непрерывно, мне кажется неверной, потому что она приводит к бесконечно большим величинам и другим трудностям. Кроме того, она не даёт ответа на вопрос о том, чем определяются размеры всех частиц. Я сильно подозреваю, что простые представления геометрии, распространённые на очень маленькие участки пространства, неверны. Говоря это, я, конечно, всего лишь пробиваю брешь в общем здании физики, ничего не говоря о том, как её заделать. Если бы я это смог, то я закончил бы лекцию новым законом.

Некоторые, указывая на противоречивость принципов физики, говорят, что существует только один внутренне непротиворечивый мир, а поэтому если мы соберём все принципы вместе и будем вычислять всё очень и очень точно, то сможем не только вывести все настоящие принципы, но и обнаружить, что это единственные принципы, которые могут существовать при том условии, что все должно оставаться внутренне непротиворечивым. Мне такой замах кажется слишком большим. Мне кажется, это всё равно, что «вилять» собакой, держа её за хвост. Я думаю, что необходимо принять существование некоторых вещей, - не всех 50 с лишним частиц, но нескольких маленьких частиц вроде электрона и т. п., - а затем, вероятно, окажется, что вся наблюдаемая сложность устройства нашего мира является естественным следствием этого факта и справедливости определенных принципов. И я не думаю, что все это можно получить из одних рассуждений и внутренней непротиворечивости.

Другая стоящая перед нами задача связана с наличием слабых симметрий. Существование таких симметрий вроде утверждения, что нейтрон и протон совершенно одинаковы, за исключением их электрических свойств, или что принцип зеркального отображения вереи всюду, кроме реакции одного типа, всё это очень досадно. Казалось бы, всё симметрично, но на самом деле не до конца. По этому вопросу сейчас существуют две различные точки зрения. Одна утверждает, что на самом деле всё просто, что на самом деле всё симметрично и что все дело в небольших осложнениях, немного нарушающих идеальную симметрию. Другая школа, у которой всего один последователь, - это я, не согласна с этим и верит, что всё очень сложно и что простота достигается лишь через сложность. Древние греки считали, что планеты движутся по круговым орбитам. На самом же деле эти орбиты эллиптические. Они не идеально симметричны, но очень мало отличаются от окружностей. Возникает вопрос, а почему они симметричны только приближённо? Почему они так мало отличаются от окружностей? Из-за долговременного и очень сложного эффекта приливного трения - это очень сложная теория. Очень может быть, что в глубине души природа совершенно несимметрична, но в хитросплетениях реальности она начинает выглядеть почти симметричной, и эллипсы начинают походить на окружности. Вот Вам и другая возможность. Но никто не знает ответа наверняка, все это просто догадки.

Предположим, что имеются две теории А и В, совершенно различные с психологической точки зрения, построенные на совершенно разных принципах и т. д., но такие, что асе вытекающие из них следствия в точности одинаковы и совпадают с экспериментом. Итак, у нас есть две гипотезы, которые поначалу звучат совсем по-разному, но все выводы из которых оказываются одинаковыми (это обычно нетрудно показать математически, доказав, что логика теорий А и В всегда приводит к одинаковым результатам). Предположим, что такие две теории существуют, и зададим себе вопрос, на каком же основании мы отдадим предпочтение одной из них. Наука этого не знает, так как каждая из них согласуется с экспериментом в одинаковой степени. Поэтому две теории, основывающиеся, возможно, на глубоко различных принципах, могут быть с математической точки зрения идентичными, и не существует научного метода выяснения, какая из них верна. Однако с психологической точки зрения обе эти теории могут быть совершенно не равноценными для угадывания новых теорий; ведь они построены совсем на разных фундаментах. Находя для теории место в определённой схеме понятий, Вы можете вдруг разглядеть, что здесь требует изменения. Например, в теории А что-то говорится о чем-то, а Вы скажете: «Вот это нужно изменить». Но выяснить, что нужно изменить в другой теории для того, чтобы прийти к эквивалентному результату, может быть очень сложным, и додуматься до этого, может быть, совсем не просто. Другими словами, предполагаемое изменение может быть совершенно естественным для одной теории и столь же неестественным для другой, хотя до него они были абсолютно тождественны. Вот почему, учитывая психологию научного творчества, мы должны помнить о всех этих теориях и вот почему каждый приличный физик-теоретик знает шесть или семь теоретических обоснований одних и тех же физических фактов. Он знает, что они эквивалентны и что никто и никогда не сможет решить, оставаясь на этом же уровне, какая из этих теорий верна, но он помнит о них всех, надеясь, что это подскажет ему разные идеи для будущих догадок.

А это напоминает мне ещё об одном вопросе, о том, что совсем незначительные поправки к теории могут потребовать радикальной перестройки понятий и представлений, лежащих в её основе. Например, представления Ньютона о пространстве и времени прекрасно согласовались с экспериментом, но для того, чтобы правильно объяснить движение планеты Меркурий, а оно едва заметно отличалось от того, что получалось по теории Ньютона, потребовались колоссальные изменения в характере всей теория. Причина этого кроется в том, что законы Ньютона были весьма просты, весьма совершенны и давали вполне определённые результаты. Для того, чтобы построить теорию, которая вносила бы едва заметные поправки, её нужно было полностью изменить. Формулируя новый закон, нельзя ввести неидеальности в идеальную схему: нужна совершенно новая идеальная теория. Вот почему так велика разница в философии теории гравитации Эйнштейна и теории всемирного тяготения Ньютона.

Что же такое идейное обоснование физической теории? На самом деле это просто ловкий способ быстро делать вывод. Философская или, как её ещё иногда называют, идеологическая интерпретация закона является лишь способом, позволяющим держать этот закон в голове в виде, пригодном для быстрого отгадывания его следствий. Некоторые говорят (и они правы в случае, например, уравнений Максвелла): «Бросьте Вы Вашу философию, все эти Ваши фокусы, а лучше угадывайте-ка правильные уравнения. Задача лишь в том, чтобы вычислять ответы, согласующиеся с экспериментом, и если для этого у Вас есть уравнения, нет никакой нужды в философии, интерпретации или любых других словах».

Это, конечно, хорошо в том смысле, что, занимаясь одними уравнениями, Вы свободны от предрассудков и Вам легче отгадывать неизвестное. Но, о другой стороны, может быть, именно философия помогает Вам строить догадки. Здесь трудно сделать окончательный выбор. Пусть те, кто настаивает на том, что единственно важным является лишь согласие теории и эксперимента, представят себе разговор между астрономом из племени майя и его студентом. Майя умели с поразительной точностью предсказывать, например, время затмений, положение на небе Луны, Венеры и других планет. Всё это делалось при помощи арифметики. Они подсчитывали определённое число, вычитали из него другое и т. д. У них не было ни малейшего представлений о вращении небесных тел. Они просто знали, как вычислять время следующего затмения или время полнолуния и т. п. Так вот, представьте себе, что к нашему астроному приходит молодой человек и говорит: «Вот что мне пришло в голову. Может быть, всё это вертится, может, это шары из камня или что-нибудь в этом роде, и их движение можно рассчитывать совсем иначе, не просто, как время их появления на небе». - «Хорошо, - отвечает ему астроном, - а с какой точностью это позволит нам предсказывать затмения?» - «До этого я ещё не дошёл», - говорит молодой человек. «Ну, а мы можем вычислить затмения точнее тебя, - отвечает ему астроном, - так что не стоит дальше возится с твоими идеями, ведь математическая теория, очевидно, лучше». И практически каждый раз, когда у кого-нибудь появляется свежая идея сегодня и он говорит: «А может быть, всё происходит вот так», ему спешат возразить: «А какое решение такой-то и такой-то задачи у Вас тогда получится?» - «Ну, до этого я ещё не дошёл», - следует ответ. «А мы уже продвинулись гораздо дальше и получаем очень точные ответы». Как видим, нелегкая задача решать, стоит или не стоит задумываться над тем, что кроется за нашими теориями.

Ещё один метод работы, конечно, состоит в выдумывании новых принципов. В теории гравитации Эйнштейн сверх всех остальных принципов придумал принцип, основанный на идее, что силы всегда пропорциональны массам. Он догадался, что если Вы сидите в разгоняющемся автомобиле, то Вы не сможете отличить своё состояние от того, в котором Вы оказались бы в поле тяжести. Добавив этот последний принцип ко всем остальным, он смог правильно угадать уравнения гравитационного поля.

Я показал Вам несколько различных путей новых открытий».

Ричард Фейнман, Характер физических законов, М., «Наука», 1987 г., с. 148-156.

Источник — портал VIKENT.RU

Дополнительные материалы

О роли неявных научных допущений по Ричарду Фейнману

Изображения в статье

Richard Feynman in 1959, Public Domain

Изображение Leonardo Valente с сайта Pixabay

Изображение Oleg Gamulinskiy с сайта Pixabay

Изображение Gerd Altmann с сайта Pixabay

Изображение Gerd Altmann с сайта Pixabay

Изображение John Hain с сайта Pixabay

Изображение Gerd Altmann с сайта Pixabay

Изображение Gerd Altmann с сайта Pixabay

Данная статья относится к Категории: Научные теории

«… Вам может показаться, что все законы физики симметричны относительно любых изменений.

Чтобы Вы так не думали, я приведу несколько примеров.

Первый из них - изменение масштаба. Неверно, что если Вы построите одну установку, а затем другую, каждая деталь которой будет точным повторением соответствующей детали предыдущей установки и будет сделана из того же материала, но только в два раза крупнее, то она будет работать точно таким же образом, что и первая.

Те, кто уже привык иметь дело с атомами, знают об этом, так как если я уменьшу установку в десять миллиардов раз, то на неё придётся около пяти атомов, а из пяти атомов не сделаешь, например, станка. Совершенно очевидно, что так сильно мы не можем менять масштаб. Но это было ясно и до того, как начала проясняться атомарная картина мира.

Возможно, Вы время от времени обращали внимание на статьи в газетах, в которых говорится, что кто-то построил собор из спичек - многоэтажный, гораздо более готический, чем самый готический из соборов, и такой изящный и т. д. Почему же мы никогда не строим таких же настоящих соборов из огромных брёвен, с той же степенью изящества, с тем же вкусом к деталям? Ответ таков - если бы Вы построили такой собор, то он оказался бы настолько высоким и тяжёлым, что рухнул бы. Да! Ведь мы забыли, что, сравнивая две вещи, нужно менять всё, что входит в систему!

На маленький собор действуют силы притяжения Земли, так что для сравнения необходимо, чтобы на большой собор действовали силы Земли, увеличенной в нужное число раз. Это ещё хуже. Земля больших размеров будет ещё сильнее притягивать, а тогда Ваши балки и подавно сломаются.

Тот факт, что законы физики не остаются неизменными при изменении масштаба, впервые был обнаружен Галилеем. Рассуждая о прочности костей и балок, он приводит такие соображения.

Если Вам требуются кости для более крупного животного, которое, скажем, в два раза выше, толще и длиннее нормального, то вес этого животного увеличится в восемь раз, и, следовательно, Вам нужны кости, которые выдерживали бы восьмикратную нагрузку. Но прочность кости зависит от размеров её поперечин сечения, а поэтому если Вы увеличите все кости по сравнению с прежним в два раза, то их поперечное сечение увеличится лишь в четыре раза, и, следовательно, они смогут выдерживать лишь четырёхкратную нагрузку В его книге «Диалог о двух новых науках» Вы найдёте рисунки воображаемых гостей гигантской собаки совершенно других пропорций.

Мне кажется, Галилей считал, что открытие этого факта несимметричности законов природы относительно изменения масштаба не менее важно, чем открытые им законы движения, и именно поэтому он включил и то и другое в свою книгу «Диалог о двух новых науках».

Вот ещё один пример асимметрии закона физики. Если Вы вращаетесь с постоянной угловой скоростью в космическом корабле, то неправильно было бы утверждать, что Вы этого не заметите. Напротив. У Вас начнётся головокружение, Появятся и другие признаки: все предметы будут отброшены к стенам центробежной силой (называйте её, как хотите - я надеюсь, что в этой аудитории нет преподавателей физики для первокурсников, которые захотели бы поправить меня). Определить, что Земля вращается, можно при помощи маятника или гироскопа, и Вы, возможно, слышали, что в различных обсерваториях и музеях имеются маятники Фуко, которые служат для доказательства факта вращения Земли без наблюдения за звездами. Мы можем, не выглядывая наружу, сказать, что мы вращаемся с постоянной угловой скоростью на Земле, потому что при таком движении законы физики не остаются неизменными».

Ричард Фейнман, Характер физических законов, М., «Наука», 1987 г., с. 82-84.

Источник — портал VIKENT.RU

Дополнительные материалы

Принцип симметрии и диссимметрии Пьера Кюри

Изображения в статье

Ричард Фейнман — американский физик-теоретик. Один из создателей квантовой электродинамики / CC BY-SA 3.0

Image by Myriam Zilles from Pixabay

Image by Alexas_Fotos from Pixabay

Данная статья относится к Категории: Научные теории

«Известный математик Герман Вейль (1885-1955) предложил прекрасное определение симметрии, согласно которому симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего Вы начали. Именно в этом смысле говорят о симметрии законов физики. При этом мы имеем в виду, что физические законы или способы их представления можно изменять так, что это не отражается на их следствиях. Этим свойством физических законов мы и займемся в данной лекции […].

Простейшим примером симметрии такого рода - и Вы сразу поймёте, что это совсем не симметрия правого и левого, - может служить симметрия относительно пространственного переноса. Вот что мы имеем в виду. Если построить любую установку и при её помощи поставить какой-нибудь опыт, а затем взять и построить точно такую же установку для точно такого же эксперимента с точно таким же объектом, но в другом месте, не здесь, а там, т. е. просто перенести наш опыт в другую точку пространства, то окажется, что во время обоих опытов происходит в точности одно и то же. Конечно, это утверждение не нужно понимать слишком упрощённо. Если бы я на самом деле построил здесь, где я сейчас сижу, какую-нибудь установку, а затем попытался перенести её на 6 м влево, то она вошла бы в стену, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому, говоря о симметрии относительно пространственных переносов, необходимо учитывать всё, что играет в эксперименте существенную роль, и переносить всё это вместе с установкой. Возьмём, например, какую-нибудь систему с маятником и попробуем перенести её на 20 тысяч миль вправо. Ясно, что система не будет работать правильно, так как колебания маятника зависят от притяжения Земли. Но если представить себе, что вместе с установкой я переношу и нашу планету, то система будет работать по-прежнему. В том-то и дело - нужно переносить сразу все, что имеет хоть малейшее значение. Это правило звучит довольно нелепо. […]

Приведём ещё несколько примеров законов симметрии. Один из них связан с фиксированными пространственными поворотами. Если проводить какой-либо опыт с установкой, построенной в каком-нибудь определённом месте, а затем взять другую точно такую же установку (возможно, перенесённую в другую точку пространства, где посвободнее) и повернуть её так, чтобы все её оси имели другую ориентацию, то установка будет работать точно таким же образом, как и раньше. Конечно, при этом нам снова нужно повернуть и всё остальное, существенное для эксперимента. Если речь идет о дедовских часах и Вы положите их на бок, маятник просто уткнётся в стенку футляра и часы остановятся. Но если вместе с часами повернуть и Землю (которая и так всё время поворачивается), часы будут идти по-прежнему. […]

Окончательный результат таких математических рассуждений говорит, что если добавить всем телам постоянную скорость, то они по-прежнему в точности будут подчиняться тем же законам, что и раньше. Вот поэтому, изучая Солнечную систему и траектории движения планет вокруг Солнца, мы не можем решить, неподвижно ли Солнце относительно нашей Вселенной или оно движется. В соответствии с законом Ньютона такое движение Солнца никак не отражается на движении планет вокруг Солнца.

Поэтому Ньютон добавлял: «Движение тел в пространстве относительно друг друга одно и то же, независимо от того, неподвижно ли это пространство относительно звёзд или движется по прямой с постоянной скоростью».

Ричард Фейнман, Характер физических законов, М., «Наука», 1987 г., с. 72-73, 75-76 и 78.

Источник — портал VIKENT.RU

Изображения в статье

Ричард Фейнман — американский учёный, физик-теоретик. Один из создателей квантовой электродинамики, профессор Калифорнийского технологического института / Public Domain

Image by Comfreak from Pixabay

Данная статья относится к Категории: Выдвижение научных гипотез

«Мы можем анализировать явления нашего мира, выделяя в нём разные уровни, устанавливая некоторую иерархию понятий и представлений. Это - метод анализа. Я не собираюсь точно определять разные уровни, но попытаюсь лишь пояснить на примерах, что я имею в виду, когда говорю об иерархии понятий и представлений.

Скажем, на одном конце нашей иерархической лестницы мы расположим основные законы физики. Затем мы придумываем новые термины для некоторых близких понятий, которые, как нам это кажется, можно в конце концов объяснить на базе основных законов. Например, термин «теплота». Теплота, как предполагают, это результат хаотического движения атомов, и когда мы называем что-нибудь горячим, просто подразумеваем, что имеется некоторая масса атомов в состоянии интенсивного хаотического движения. Но сплошь и рядом, обсуждая тепловые свойства, мы забываем о хаотическом движении молекул - точно так же, как, говоря о леднике, мы не обязаны думать о шестиугольных кристаллах льда и снежинках, которые падали когда-то раньше.

Другой пример того же рода, это пример с кристаллом соли. Если смотреть в самый корень, то это система огромного числа протонов, нейтронов и электронов. Но мы обходимся одним понятием «кристалл соли», который несёт в себе целый образ совокупности элементарных взаимодействий.

Точно такому же кругу идей принадлежит и понятие давления.

Теперь, если сделать по нашей лестнице ещё один шаг вверх и перейти на следующий уровень, мы столкнемся со свойствами веществ, которые характеризуются, например, «коэффициентом преломления», определяющим, насколько отклоняется луч света, проходя через вещество, или «коэффициентом поверхностного натяжения», объясняющим, почему вода имеет тенденцию оставаться в виде единого целого, причём и то и другое описывается определёнными числами. Напомню - теперь для того, чтобы выяснить, что в конце концов всё это сводится к взаимодействию атомов и т. п., нам пришлось бы спуститься на несколько ступеней вниз, пройдя через ряд всё менее сложных законов. Тем не менее, мы свободно рассуждаем о «поверхностном натяжении» и при этом нас не интересует его внутренний механизм.

Продолжим наше восхождение по иерархической лестнице. От воды можно перейти к волнам, а затем уже и к понятию «шторм», причем слово «шторм» обхватывает невероятное число различных явлений. К тому же классу принадлежат и другие собирательные понятия: «солнечное пятно» или «звезда». И очень часто нет никакого смысла докапываться до исходных механизмов всех составляющих явлений. По правде говоря, это и невозможно сделать, так как чем выше мы поднимаемся по нашей иерархической лестнице, тем больше ступеней отделяет нас от основных законов, а каждая из этих ступеней не очень надёжна.

Мы ещё не продумали всё с самого начала и до самого конца.

Продолжая подъём по иерархической лестнице сложности, мы добираемся до таких вещей, как «сокращение мускулов» или «нервные импульсы» - невероятно сложные явления физического мира, связанные с исключительно сложной организацией материи. А затем мы доходим и до таких понятий, как «лягушка».

Всё дальше и дальше, и вот уже перед нами понятия «человек», «история», «политическая целесообразность» и другие понятия, которыми мы пользуемся для того, чтобы разбираться в событиях на ещё более высоком уровне.

А затем наступает черед таким вещам, как «зло» и «красота», и «надежда»...

Какой же конец этой лестницы ближе к Богу, если мне позволена будет религиозная метафора? Красота и надежда - или основные законы? Мне, конечно, кажется, что для нас важнее всего понять внутреннее структурное единство мира; что все науки, да и не только науки, любые интеллектуальные усилия направлены на понимание взаимосвязей между явлениями, стоящими на разных ступенях нашей иерархической лестницы, на то, чтобы найти связь между красотой и историей, историей и человеческой психологией, психологией и механизмом мозга, мозгом и нервными импульсами, нервными импульсами и химией и так далее, как вверх, так и вниз.

Сегодня мы ещё не можем (и что толку притворяться будто это не так) провести непрерывную линию от одного конца до другого, ибо мы лишь вчера увидели существование такой иерархии.

И мне не кажется, что вопрос правильно поставлен. Выбрать один из этих концов и, отталкиваясь отсюда, надеяться достичь полного понимания, было бы ошибкой. Ни понимание природы зла, добра и надежды, ни понимание основных законов в отдельности не могут обеспечить глубокого понимания мира. Поэтому неразумно, когда те, кто изучает мир на одном конце иерархической лестницы, без должного уважения относятся к тем, кто делает это на другом конце. (На самом деле этого и нет, но люди уверяют нас, что именно так обстоит дело.)

Вся огромная армия исследователей, работающих на всех ступенях нашей лестницы от одного края до другого, постоянно совершенствует наше понимание мира, и мы постепенно постигаем всё колоссальное переплетение иерархий».

Ричард Фейнман, Характер физических законов, М., «Наука», 1987 г., с. 113-114.

Источник — портал VIKENT.RU

Дополнительные материалы

Постановка проблемы «В чём смысл жизни?» с помощью понятия «переход к надсистеме»

Изображения в статье

Ричард Фейнман, 1974 год. Напутственная речь в Калифорнийском технологическом институте / Public Domain

Image by Myriam Zilles from Pixabay

Image by Gerd Altmann from Pixabay