Однако при использовании статистических закономерностей и формул теории вероятностей возникает вполне законный вопрос: достаточно ли они надежны? Другими словами, описывают ли они явления природы с достаточной точностью?
Когда мы, например, один раз подбрасываем монету, то теория вероятностей не может предсказать, какой стороной упадет она в этот именно раз. Но зато при достаточно большом числе бросаний мы сможем убедиться в том, что число выпадений «орла» будет приблизительно равно числу выпадений «решетки», как это и предсказывает в данном случае теория вероятностей.
В этом совпадении и заключена основная сущность теории вероятностей, ее смысл как научной теории, отражающей реальные явления. Это положение получило в математике название закона больших чисел, который гласит: при большом числе рассматриваемых случаев частота появлений тех или иных событий совпадает с их вычисленными вероятностями. Таким образом, определение вероятностей и обнаружение статистических законов имеет вполне реальный смысл. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что состояния, имеющие большую вероятность, повторяются соответственно чаще, а состояния с вероятностью, мало отличающейся от нуля, практически никогда не осуществляются. Это, разумеется, относится не только к микропроцессам, но к любым системам, в которых действуют статистические закономерности.
В принципе, например, можно представить себе такой случай, когда в результате хаотического движения молекул воздуха, наполняющего комнату, все молекулы окажутся в одной ее половине, а человек, находящийся в это время в противоположной половине, задохнется от отсутствия воздуха. На основе статистических закономерностей можно вычислить и вероятность подобного события — она ничтожно мало отличается от нуля. И действительно, за все время существования человечества не произошло ни одного подобного случая.
Столь же малым числом выражается и вероятность так называемого «чуда Джинса». Английский физик Д. Джинс (1877–1946) подсчитал, что теоретически в принципе возможен случай, когда вода, поставленная в горячую печь, вместо того чтобы закипеть, как ей полагается в таких случаях, превратится… в лед!
И тот факт, что никто никогда не наблюдал ничего подобного, лишний раз подтверждает, что теория вероятностей действительно отражает объективные связи между явлениями.
Среди многочисленных закономерностей окружающего нас мира особо следует выделить фундаментальные закономерности, охватывающие особенно большой круг явлений. К их числу относятся, например, закон всемирного тяготения, законы динамики, закон сохранения материи и движения, закон эквивалентности массы и энергии, обнаруженный специальной теорией относительности, и ряд других.
Фундаментальные законы составляют теоретическую основу естествознания.
Глава III. ОТ ТАЙНЫ К ТАЙНЕ
Изменение научных представлений о мире — необходимое следствие процесса познания природы.
Мир сложнее видимой его картины.
Каждый закон природы имеет свои границы применимости.
Мир неисчерпаем, процесс его научного познания безграничен.
Изменение научных представлений — есть необходимое условие прогресса науки, свидетельство ее способности неуклонно приближаться ко все более точному и полному пониманию и описанию реального мира.
Представления меняются
Чтобы окончательно убедиться в том, что наука дает нам достоверные знания о мире, необходимо ответить еще на один вопрос: почему с течением времени многие научные представления меняются, и нередко весьма существенным образом? Приведем несколько примеров.
В прошлом столетии в пауке господствовало представление о том, что все химические элементы состоят из атомов, а сами атомы считались неделимыми частицами материи. Однако, еще в конце XIX в. этим представлениям был нанесен серьезный удар. Физики открыли неизвестную ранее отрицательно заряженную частицу материи — электрон и установили, что эта частица входит в состав атомов. Стало ясно, что атомы имеют сложное внутреннее строение.
В 1898 г. известный английский физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) предложил модель атома, представлявшую собой положительно заряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. На протяжении 12 лет эта модель представлялась весьма правдоподобной. Но в 1911 г. выдающийся английский физик Э. Резерфорд (1871–1937) опроверг и ее. Как раз в это время он занимался исследованием загадочных альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде. Ученый пропускал поток таких частиц через металлическую фольгу и наблюдал их попадания на специальный флюоресцирующий экран.
При этом у подавляющего большинства частиц отклонения от первоначального направления, как и предсказывала теория, были незначительны. Но при более тщательных наблюдениях выяснилось, что приблизительно две частицы из тысячи испытывают отклонение на угол больше 90°, т. е. фактически отражаются фольгой в обратных направлениях. Резерфорд пришел к выводу, что в подобных случаях альфа-частицы отражаются очень сильным электромагнитным полем. Но такое поле может создавать лишь заряд, сконцентрированный в очень небольшом объеме. Так Резерфорд пришел к открытию атомного ядра — одному из самых величайших открытий, когда-либо совершенных в естествознании. Спустя некоторое время выяснилось, что и атомные ядра также имеют сложное строение, в частности, в их состав входят положительно заряженные ядра атомов водорода, самого простейшего из всех химических элементов, — протоны — и нейтральные частицы — нейтроны. Не менее показателен пример из другой области естествознания, так называемой планетной космогонии, занимающейся проблемой происхождения Земли и планет Солнечной системы.
На протяжении всего XIX столетия в науке господствовала гипотеза Лапласа, согласно которой планеты вместе с Солнцем образовались из раскаленной, быстро вращавшейся газовой туманности. Однако в начале нашего столетия эти взгляды подверглись кардинальному пересмотру. На смену гипотезе Лапласа пришла гипотеза, выдвинутая английским астрофизиком Джемсом Джинсом, о формировании Земли и планет из солнечного вещества, выброшенного нашим дневным светилом в результате возмущения со стороны прошедшей вблизи него другой звезды.
На протяжении некоторого времени гипотеза Джинса рассматривалась чуть ли не как окончательное решение вопроса о происхождении Солнечной системы. Все же потом выяснилось, что и этот механизм образования планет в силу целого ряда причин нереален. В конце 40-х годов появилась и стала развиваться быстрыми темпами новая космогоническая гипотеза, автором которой был советский ученый академик О. Ю. Шмидт (1891–1956). Исходным положением этой теории явилось представление о том, что материалом для формирования планет послужил не раскаленный газ, а холодное газово-пылевое вещество. Эта гипотеза обнаружила хорошее согласие с фактами — и качественное и количественное — и впервые объяснила о единой точки зрения ряд характерных особенностей Солнечной системы. В связи с этим ее стали рассматривать уже не просто как очередную гипотезу, а как космогоническую теорию. Но и у газово-пылевой теории вскоре обнаружились «белые пятна» — открылись новые факты, недостаточно хорошо согласующиеся с ее основными положениями. И возможно, эти положения вновь придется подвергнуть значительному пересмотру.
Благодаря применению космических аппаратов на наших глазах происходят весьма важные изменения в существовавших ранее представлениях о строении Луны и планет Солнечной системы.
В результате дальнейшего развития физики микромира приходится пересматривать сложившееся представление об элементарности.
На первых порах мир элементарных частиц казался разрозненным. В нем трудно было усмотреть общие закономерности, связывающие различные частицы между собой. Однако в результате усилий сначала экспериментаторов, а затем и теоретиков удалось обнаружить некоторые факты, позволяющие систематизировать элементарные частицы и построить их классификацию, подобную периодической системе Менделеева.
И подобно тому как система Менделеева позволила предсказать существование неизвестных химических элементов, система элементарных частиц, построенная физиками, дала возможность предсказывать неизвестные явления. В частности, с ее помощью было предсказано существование новой частицы «минус омега гиперон», затем зарегистрированной в экспериментах.
Если еще сравнительно недавно считалось, что элементарные частицы являются точечными и не имеют внутренней структуры, то теперь выяснилось, что они обладают весьма сложным строением.
В свое время казалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим повседневным здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше любой из составляющих его частей.
