Книги по разным темам Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |   ...   | 58 |

Позитивизм— крайняя формаинструментализма, утверждаю­щая, что все формулировки, отличные от тех, которые что-либоописы­вают илипредсказывают, не имеют смысла. (Этот взгляд сам не имеет смысла по своим жекритериям).

Редукционный— редукционноеобъяснение — этообъяснение, которое раскладывает все вещи на составляющие низкогоуровня.

Редукционизм— система взглядов, всоответствии с которой научные объяснения изначально являютсяредукционными.

Холизм— идея о том, чтообоснованными являются только объ­яснения, сделанные на основе систем высокого уровня;противополож­ностьредукционизма.

Исход— исходящим явлениемназывается такое явление (как жизнь, мысль или вычисление), относительнокоторого существуют по­нятные факты или объяснения, которые не просто выводятся из теорийнизкого уровня, но которые могут объяснить или предсказать теории высокогоуровня, относящиеся непосредственно к этим явлениям.

Резюме.

Научное знание, как и все человеческоезнание, состоит главным образом из объяснений. Простые факты можно посмотреть всправоч­нике,предсказания важны только при проведении решающих экспери­ментов для выбора более точнойнаучной теории, которая уже прошла проверку на наличие хороших объяснений. Помере того, как новые те­ории вытесняют старые, наше знание становится как шире (когдапо­являются новыепредметы), так и глубже (когда наши основные теории объясняют больше истановятся более обобщенными). Глубина побеж­дает. Таким образом, мы неудаляемся от того состояния, когда один человек сможет понять все, что понято,а приближаемся к нему. Наши самые глубокие теории настолько переплетаются другс другом, что их можно понять только совместно, как единую теорию объединеннойструктуры реальности. Эта Теория Всего имеет гораздо больший мас­штаб, чем та теория всего,которую ищут ученые, занимающиеся фи­зикой элементарных частиц, потомучто структура реальности состоит не только из таких составляющих редукционизма,как пространство, время и дробноатомные частицы, но также, например, из жизни,мыс­ли и вычисления.Четыре основных нити объяснения, которые могут составить первую Теорию Всего — это

квантовая физика,Главы 2, 9, 11, 12, 13, 14;

эпистемология,Главы З, 4, 7, 10, 13, 14;

теория вычислений, Главы 5, б, 9, 10, 13, 14;

теория эволюции,Главы 8, 13, 14.

Следующая глава посвящена первой и самойважной из четырех нитей — квантовой физике.

Глава 2. Тени.

Не существует лучшей, более открытой дверик изучению физики, чем обсуждение физического феномена свечи.

Майкл Фарадей

(Курс из шести лекций по химической историисвечи)

В своих знаменитых научных лекциях вКоролевском институте Майкл Фарадей всегда побуждал своих слушателей изучатьмир, рас­сматривая,что происходит при горении свечи. Я заменю свечу элек­трическим фонариком. Этоправомерно, поскольку устройство электри­ческого фонарика во многомосновано на открытиях Фарадея.

Я опишу несколько экспериментов, которыеиллюстрируют явле­ниялежащие в основе квантовой физики. Такого рода эксперименты со множествомизменений и уточнений в течение многих лет остава­лись средством к существованиюквантовой оптики. В их результатах нет противоречий, однако даже сейчас внекоторые из них трудно по­верить. Основные эксперименты удивительно просты. Они всущнос­ти не требуютни специальных научных инструментов, ни глубокого знания математики или физики,они заключаются всего лишь в отбра­сывании теней. Обычный электрический фонарик может производитьвесьма странные картины света и тени. При более внимательном рас­смотрении можно увидеть, что ониимеют необычные разветвления. Чтобы объяснить их, нужны не просто новыефизические законы, а но­вый уровеньописания и объяснения, выходящий за пределы того, что раньше считали научнойсферой. Прежде всего, эти картины откры­вают существование параллельныхмиров. Как это возможно Какая мыслимая картина теней может повлечь за собойподобные выводы

Рис. 2.1. Свет отэлектрического фонарика

Представьте включенный электрическийфонарик в темной комна­те где нет других источников освещения. Нить накала лампочкиис­пускает свет,который расширяется, образуя часть конуса. Чтобы не усложнять экспериментотраженным светом, стены комнаты должны быть матово-черными для полногопоглощения света. Или, поскольку мы проводим эти эксперименты только в своемвоображении, можно представить комнату астрономических размеров, чтобы дозавершения эксперимента свет не успел достигнуть стен и вернуться. Рисунок 2.1иллюстрирует данный опыт. Но этот рисунок в некоторой степени не соответствуетистине: если бы мы смотрели на фонарик со стороны, мы не смогли бы увидеть нифонарик, ни свет. Невидимость — одно из простейших свойств света. Мы видим свет лишь тогда, когдаон попа­дает в нашиглаза (хотя, как правило, мы говорим о последнем объекте, на которыйвоздействовал этот свет и который оказался по линии на­шего зрения). Мы не можем увидетьсвет, который просто проходит мимо. Если бы в луче оказался отражающий объектили даже пыль или капельки воды, чтобы рассеять свет, мы смогли бы его увидеть.Но поскольку в луче ничего нет, и мы смотрим на него извне, его свет недостигает нас. Наиболее точно то, что мы должны увидеть, следовало быпредставить абсолютно черной картинкой. В присутствии второго источника света,мы могли бы увидеть фонарик, но опять же не его свет. Лучи света, даже самогоинтенсивного света, который мы можем получить (с помощью лазеров), проходятдруг через друга, как если бы ничего не было вообще.

На рисунке 2.1 видно, что около фонарикасвет наиболее яркий, по мере удаления от него свет тускнеет, так как лучрасширяется, чтобы осветить еще большую площадь. Наблюдателю, находящемуся влуче и отходящему от фонарика спиной вперед, рефлектор показался бы еще меньше,а когда был бы виден только как точка, еще слабее. Это в самом деле было бытак Способен ли свет действительно рас­пространяться неограниченно всеболее тонкими лучами Ответ: нет. На расстоянии примерно десяти тысячкилометров от фонарика его свет был бы слишком слабым, чтобы человеческий глазмог его раз­личить, инаблюдатель ничего бы не увидел. То есть человек ничего бы не увидел; аживотное с более чувствительным зрением Глаза ля­гушки в несколько разчувствительнее человеческих глаз: этого вполне достаточно, чтобы почувствоватьощутимую разницу при проведении эксперимента. Если бы наблюдателем былалягушка, и она удалялась бы от электрического фонарика, момент, когда онаполностью потеряла бы его из вида, никогда бы не наступил. Вместо этого лягушкаувидела бы, что фонарик начал мерцать. Вспышки возникали бы через неравныепромежутки времени, которые увеличивались бы по мере удаления ля­гушки от фонарика. Но отдельныевспышки не стали бы менее яркими. На расстоянии ста миллионов километров отфонарика лягушка видела бы в среднем только одну вспышку света в день, но этавспышка была бы не менее яркой, чем любая другая, наблюдаемая с любого другогорасстояния.

Рис. 2.2.Лягушки могут видеть отдельные фотоны

ягушки не могут рассказать нам, что онивидят. Поэтому при проведении реальных экспериментов мы используемфотоумножители (световые детекторы, чувствительность которых превышаетчувстви­тельность глазлягушки) и уменьшаем свет, пропуская его через тем­ные фильтры, а не наблюдаем его нарасстоянии ста миллионов кило­метров от источника. Однако ни принцип, ни результат от этого неменяются: не мнимая темнота, не однородная тусклость, а мерцание, причемвспышки — одинаковояркие, независимо от того, насколько темный фильтр мы используем. Это мерцаниепоказывает, что сущест­вует предел равномерного распространения света. Пользуясьтермино­логиейювелиров, можно сказать, что свет не является бесконечно ков­ким. Подобно золоту небольшоеколичество света можно равномерно распределить по очень большой площади, но, вконечном итоге, если попытаться растянуть его еще, он станет неровным. Дажеесли можно как-нибудь предотвратить группирование атомов золота, существуетпредел, за которым атомы нельзя разделить без того, чтобы золото не пересталобыть золотом. Поэтому единственный способ сделать золо­той лист толщиной в один атом ещетоньше - расположить атомы еще дальше друг от друга, чтобы между ними былопустое пространство. Когда эти атомы окажутся достаточно далеко друг от друга,заблужде­нием будетсчитать, что они образуют сплошной лист. Например, если каждый атом золотанаходился бы в среднем на расстоянии несколь­ких сантиметров от своегоближайшего соседа, можно было бы провес­ти рукой через лист, неприкасаясь к золоту вообще. Точно также существует элементарный световой шарикили латом, фотон. Каждаявспышка, которую видит лягушка, вызвана фотоном, воздействующим на сетчатку ееглаз. Луч света становится слабее не потому, что са­ми фотоны ослабевают, а потому,что они отдаляются друг от друга, и пустое пространство между нимиувеличивается (рисунок 2.2). Очень слабый луч неправомерно называть лучом,поскольку он прерывается. Когда лягушка ничего не видит, это происходит непотому, что свет, по­падающий в ее глаза, слишком слаб, чтобы воздействовать насетчатку, а потому, что свет просто не попадает в ее глаза.

Это свойство появления света в виде шариковдискретных разме­ровназывается квантованием.Отдельный шарик, фотон, называется квантом (во множественном числекванты). Квантовая теорияполу­чила своеназвание от этого свойства, которое она приписывает всем измеримым физическимвеличинам, а не только количеству света или массе золота, которые квантуются,поскольку на самом деле состоят из частиц, хотя и выглядят непрерывными. Дажедля такой величины, как расстояние (например, между двумя атомами), понятиенепрерывного диапазона возможных величин оказывается идеализацией. В физике несуществует измеримых непрерывных величин. В квантовой физике су­ществует множество новых явлений,и, как мы увидим, квантование — одно из простейших. Однако в некотором смысле оно остается ключомко всем остальным явлениям, поскольку если все квантуется, каким образом можетизменяться значение какой-то величины Как объект попадает из одногоместа в другое, если несуществует непрерывного диапазона промежуточных положений, где он можетнаходиться по пу­ти ВГлаве 9 я объясню, как, но сейчас позвольте мне отложить этот вопрос нанекоторое время и вернуться в область, близкую к фонари­ку, где луч выглядит непрерывным,потому что каждую секунду он испускает около 1014 (ста триллионов) фотонов в глаз,который на него смотрит.

Граница между светом и тенью резкая илисуществует некоторая серая область Обычно существует довольно широкая сераяобласть, и одна из причин ее существования показана на рисунке 2.3. Тампока­зана темнаяобласть (называемая полной тенью), куда не доходит свет от нити накала. Там же присутствует иосвещенная область, которая может получать свет от любого участка нити накала.И поскольку нить накала является не геометрической точкой, а имеет определенныйраз­мер, междуосвещенной и неосвещенной областью также присутствует полутень: область, которая можетполучать свет только от некоторых участков нити накала. Если наблюдать изобласти полутени, то мож­но увидеть только часть нити накала, и освещение будет меньше, чемв полностью освещенной области.

Рис. 2.3.Полная тень и полутень тени

Однако размер нити накала — не единственная причина того,поче­му фонарикотбрасывает полутень. Различное влияние на свет оказы­вают рефлектор, расположенныйпозади лампочки, стеклянный колпак фонарика, различные стыки и дефекты и т. д.И поскольку сам фона­рик достаточно сложен, мы ожидаем появления сложных картин света итени. Но побочные свойства фонариков не являются предметом таких экспериментов.За нашим вопросом о свете фонарика скрывается более фундаментальный вопрос освете вообще: существует ли, в принципе, некий предел резкости границы (другимисловами, насколько узкой может быть полутень) Например, если фонарик сделатьиз абсолютно черного (неотражающего) материала и если использовать всеуменьша­ющиеся нитинакала, возможно ли сужать полутень беспредельно

Глядя на рисунок 2.3 можно подумать, чтоэто возможно: если бы нить накала не имела размера, не было бы полутени. Но нарисунке 2.3 я сделал некоторое допущение относительно света, а именно, что светраспространяется только прямолинейно. Из повседневного опыта нам известно, чтоэто так и есть, поскольку мы не видим волн. Но точ­ные эксперименты показывают, чтосвет не всегда распространяется прямолинейно. При некоторых обстоятельствахсвет искривляется.

Это сложно продемонстрировать с помощьюфонарика, потому что сложно сделать крошечные нити накала и абсолютно черныеповерх­ности. Этипрактические сложности скрывают те ограничения, кото­рые основная физика накладывает нарезкость теней. К счастью, ис­кривление света можно также показать по-другому. Предположим, чтосвет фонарика проходит через два последовательных маленьких от­верстия в светонепроницаемыхэкранах, как показано на рисунке 2.4, и что проходящий через эти отверстия светпадает на третий экран. Во­прос состоит в следующем: если этот эксперимент повторять,уменьшая диаметр отверстий и увеличивая расстояние между первым и вторымэкранами, можно ли беспредельно сужать полную тень (область абсо­лютной темноты) до тех пор, покаона не превратится в прямую ли­нию между центрами двух отверстий Может ли освещенная областьмежду вторым и третьим экраном быть ограничена произвольно уз­ким конусом Говоря языкомювелиров, сейчас мы спрашиваем что-то вроде того, насколько пластичен свет, внасколько тонкую нить мож­но растянуть свет Из золота можно получить нити толщиной в однудесятитысячную миллиметра.

Рис. 2.4.Получение узкого луча света, проходящего через два последовательныхотверстия Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |   ...   | 58 |    Книги по разным темам