Действительность и модели

Как и во многих других областях науки, здесь приходится иметь дело с вещами, которые нельзя непосредственно проверить на опыте. Мы говорим об атомах и молекулах, электронах и волнах и т. д., но они недоступны не только нашим органам чувств, но и самой чувствительной и точной аппаратуре. Например, в существовании электрона мы убеждаемся только вследствие того, что множество различных многократно воспроизводимых физических явлений можно объяснить, лишь допустив существование такого обладающего совершенно определенными свойствами физического объекта. Но бесполезно пытаться обнаружить или наглядно представить себе электрон в его естественном виде^*. Мы тоже попытаемся вообразить себе электрон со всеми присущими ему свойствами. Но это безусловно не реальность, а лишь определенная концепция, которая позволяет говорить о вероятностном поведении электрона в тех или иных условиях. В рамках подобных теоретических концепций и производится большинство научных анализов.

^* (Невозможность непосредственно увидеть или представить электрон в его "естественном" состоянии, равно как и приводимое ниже описание двух моделей поведения электрона,- то как частицы, то как волны,- не означает отрицания его физической реальности.- Прим. ред.)

Например, поведение электрона во многих экспериментах показывает, что он имеет определенную массу, вполне определенные размеры и другие свойства, которыми обычно характеризуется материальное тело. Тогда естественно рассматривать его как классическую частицу. Движение материальных частиц (или тел), размеры которых достаточно велики, чтобы мы могли их наблюдать, описываются законами движения Ньютона (в определенных условиях они оказываются несостоятельными, и тогда вступают в силу принципы теории относительности Эйнштейна). Эти законы относятся к разряду фундаментальных научных положений, и вековой опыт человека подтвердил их правильность. Если мы используем эти законы для предсказывания поведения электрона в тех или иных условиях, мы обычно находим, что подобные знания достаточно точны. Итак, представление электрона в виде частицы оказалось весьма полезным.

Но это не означает, что электрон является частицей, поскольку при некоторых обстоятельствах он проявляет качества, совершенно не присущие частице. Например, как показывают некоторые опыты по дифракции, электрон должен одновременно проходить через два "отверстия" (а точнее между атомами в кристаллической решетке), отстоящих на расстоянии, превышающем размеры электрона, установленные на основании других экспериментов. Здесь электрон проявляет свойства, характерные, скажем, для световых волн. Теперь известно, что всем телам в микромире присуща некая двойственность (дуализм) поведения, и мы должны привыкнуть к этому. Таким образом, электрон иногда проявляет свойства частицы, а иногда - волновые свойства. Поскольку невозможно представить нечто, обладающее совокупностью подобных свойств, то при описании поведения электрона в различных ситуациях пользуются той или иной его моделью.

Как мы уже говорили, многие особенности поведения электрона достаточно хорошо объясняются, если рассматривать его как частицу. В тех случаях, когда нет необходимости дополнительно оговаривать неадекватность модели частицы, мы можем пользоваться этой простейшей моделью электрона без всякого ущерба для точности. Нам не следует беспокоиться о том, что некоторые наши модели непригодны для более тонкого анализа, но мы не должны забывать, что наша модель не всегда отражает реальное положение вещей. Поэтому бессмысленно спрашивать, что такое электрон. Используя модель частицы, мы не говорим, что электрон - частица, мы просто полагаем, что в рамках определенной задачи можно адекватно описывать его свойства, исходя из предположения, что он ведет себя как частица. Подобная особенность модельного представления интересна и с философской точки зрения. Иногда мы можем отбросить неадекватную модель, раз и навсегда установив ее неадекватность, но такую модель можно продолжать использовать, если она облегчает понимание тех или иных явлений. Примером служит развитие понятия об энергетических уровнях, оно осуществлялось с помощью моделей, от которых позднее отказались. Говоря об энергетических уровнях, мы покажем, как происходил этот процесс.

В дальнейшем при необходимости мы будем кратко останавливаться на той или иной физической модели, стараясь, насколько возможно, упростить подобное рассмотрение.