С. Капица - Жизнь науки

• Название: Жизнь науки
• Автор: С. Капица
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1973

Собрание предисловий и введений к основополагающим трудам раскрывает путь развития науки от Коперника и Везалия до наших дней. Каждому из 95 вступлений предпослана краткая биография и портрет. Отобранные историей, больше чем волей составителя, вступления дают уникальную и вдохновляющую картину возникновения и развития научного метода, созданного его творцами. Предисловие обычно пишется после окончания работы, того труда, благодаря которому впоследствии имя автора приобрело бессмертие. Автор пишет для широкого круга читателей, будучи в то же время ограничен общими требованиями формы и объема. Это приводит к удивительной однородности всего материала как документов истории науки, раскрывающих мотивы и метод работы великих ученых. Многие из вступлений, ясно и кратко написанные, следует рассматривать как высшие образцы научной прозы, объединяющие области образно-художественного и точного мышления. Содержание сборника дает новый подход к сравнительному анализу истории знаний. Научный работник, студент, учитель найдут в этом сборнике интересный и поучительный материал, занимательный и в то же время доступный самому широкому кругу читателей.

---

Для вычисления собственных значений и соответствующих решений волнового уравнения («собственных функций») в более сложных случаях развита теория возмущений, позволяющая более трудную задачу свести с помощью квадратур к «близкой» задаче, являющейся более простой. «Вырождение» соответствует наличию кратных собственных значепий. С физической точки зрения наиболее важен случай, когда, как, например, при эффектах Зеемапа и Штарка, кратное собственное значение под дей-ствпем возмущающих сил расщепляется (общая теория, эффект Штарка).

Чтобы понять, как малая механическая система может испускать электромагнитные волны с частотой, равной разности термов (разность двух собственных значений, деленная на fe), и как получить теоретические результаты об интенсивности и поляризации электромагнитных волн, необходимо приписать функции в конфигурационном пространстве определенный физический, а именно электромагниты#, смысл; до сих пор она имела чисто формальный смысл, удовлетворяя указанному выше волновому уравнению. Физический смысл функции выясняется для общего случая системы с произвольным числом степеней свободы лишь в конце серии работ (предварительная попытка для задачи об одном электроне оказалась несовершенной). Определенное распределение \|) в конфигурационном пространстве толкуется как непрерывное распределение электрического заряда (и плотности электрического тока) в реальном пространстве. Если из этого распределения заряда вычислить обычным путем составляющую электрического момента всей системы в каком-нибудь направлении, то эта последняя оказывается суммой отдельных слагаемых, получающихся как парные комбинации каждых двух собственных колебаний. Каждое такое слагаемое колеблется во времени синусоидально с частотой, равной разности соответствующих собственных частот (однако

там нужно заменить ф на ф, в результате чего вычисления несущественно изменяются, точнее упрощаются). Если длина волны электромагнитных волн, соответствующая разностной частоте, велика по сравнению с размерами объема, в котором сосредоточено все распределение заряда, то по законам обычной электродинамики амплитуда парциального момента (или, точнее говоря, квадрат амплитуды, умноженной на четвертую степень частоты) есть мера интенсивности света, излученного с данной частотой и данной поляризацией. Электродинамическая гипотеза о я)) и последующее чисто классическое вычисление излучения базируются на опыте, поскольку они дают обычные правила отбора и поляризации для осцилля тора, ротатора и атома водорода; кроме того, они дают для тонкого расщепления линий серии Бальмера в электрическом поле удовлетворительные отношения интенсивностей.

Если возбуждено только одно собственное колебание или собственные колебания с одной собственной частотой, то распределение заряда будет статическим; однако при этом могут образоваться стационарные токи (магнитные атомы). Таким образом выясняется устойчивость основного состояния и отсутствие излучения в этом состоянии.

Амплитуды парциальных моментов тесно связаны с теми величинами («матричными элементами»), которые, согласно формальной теории Гейзенберга, Борна и Иордана, определяют излучение. Можно доказать далеко идущую формальную тождественность обеих теорий, согласно которой вычисленные частоты испускания и правила отбора и поляризации всегда совпадают, причем отмеченный выше успех при вычислении интенсивностей можно в равной степени отнести в актив как матричной теории, так и теории, излагаемой здесь.

Все предыдущее относится к консервативным системам; окончательная формулировка теории неконсервативных систем может быть дана только в последней работе. Для неконсервативных систем попользованное ранее колебательное уравнение должно быть обобщено и превращено в настоящее волновое уравнение, содержащее в явном виде время и пригодное не только для чисто синусоидальных колебаний (с частотой, входящей в уравнение как параметр), но и для произвольной зависимости от времени. С помощью обобщенного волнового уравнения можно рассмотреть ззаимодействие системы с падающей световой волной и вывести разумную формулу дисперсии, опираясь на ту же электродинамическую гипотезу о функции г|). Указано обобщение на случаи произвольного возмущения. Затем из обобщенного волнового уравнения удается вывести интересный закон сохранения для «весовой» функцпи который только и дает полное оправдание пресловутой электродинамической гипотезе и позволяет вывести выражения для составляющих плотности электрического тока через распределение.

Системы, рассмотренные в первых пяти работах, не могут быть в полном смысле консервативными, поскольку они излучают энергию, что должно сопровождаться изменением этих систем. Таким образом, в волновом законе для функции г|>, по-видимому, отсутствует нечто, соответствующее «радиационной силе» классической электродинамики и вызывающее, например, затухание высших собственных колебаний по сравнению с низшими. Это необходимое дополнение до сих пор не получено*

Теория, о которой говорилось выше, соответствует классической (т.е. нерелятивистской) механике и не учитывает магнитного поля. Поэтому как волновое уравнение, так и составляющие 4-вектора тока не инвариантны при преобразованиях Лоренца. Для задачп об одном электроне можно легко дать естественное обобщение, учитывающее релятивизм и магнитное поле (лоренц-инвариантные выражения для составляющих 4-вектора тока в тексте не приведены, но их легко получить[96] из «уравнения непрерывности», которое выводится также, как в нерелятивистском случае). Хотя таким образом мы приходим,при рассмотрении естественной тонкой структуры и эффекта Зеемана в атоме водорода, к формально разумным формулам для длин волн, интенсивностей и поляризаций, однако в зоммерфельдовой формуле тонкой структуры фигурирует в качестве азимутального квантового числа половина нечетного числа, что, разумеется, дает совершенно ошибочную картину расщепления [здесь приведены лишь результаты; вычисления произвел В. Фок (Ленинград) независимо от меня и до отправки моей последней работы; ему же удалось вывести релятивистское уравнение из вариационного прппцппа (Zeits. fin* Phy-sik, 1926, 38, 242)]. Необходимо также усовершенствование волновой механики, о котором сейчас можно только упомянуть и которое имеет то же значение, что и учет электронного спина по Уленбеку и Гауд-смиту в старой квантовой механике, оперирующей с траекториями электронов; при этом, если в последней одновременно с введением электронного спина следует требовать ad hoc «полуцелых» азимутальных квантовых чисел, чтобы уже для атома водорода не прийти в резкое противоречие с опытом, то волновая механика (равно как и квантовая механика Гейзеиберга) непринужденно дает эти полуцелые числа и поэтому с самого начала ведет к тому уточнению, необходимость которого в рамках прежней теории была выяснена только на более сложных явлениях, таких как эффект Пашена — Бака в водороде, аномальные эффекты Зеемана, структура мультиплетов, законы рентгеновских дублетов и аналогичные законы для дублетов щелочных металлов.

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ФИЗИКИ

ПАМЯТИ МОИХ РОДИТЕЛЕЙ

Предисловие

Homo liber nulla de re minus g quam de morta cogitat; et ejus sapi entia non mortis sed ritae mediiatio est.

Sp in о s a, Ethicat p, IV. Prop. 67[97]

Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки пз первых рук, и поэтому считают, что ему не следует писать по таким вопросам, в которых ои не является знатоком. Это рассматривается, как вопрос noblesse oblige[98]. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и прошу, в связи с этим, освободить меня от вытекающих отсюда обязательств. Мои извинения заключаются в следующем.

Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим

институтам познания — университетам, напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних ста замечательных лет поставило пас перед странной дилеммой. Мы ясно чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы объединить в одно целое все, что нам известно; но с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем какой-либо небольшой специальной частью науки.