Книга Что такое жизнь? - Эрвин Шредингер

Около двадцати или тридцати лет назад химики в США открыли любопытное соединение, название которого я забыл. Это белый порошок, одним он кажется безвкусным, а другим – очень горьким. Данный факт вызвал большой интерес и повлек за собой обширные исследования. Оказалось, что способность быть «дегустатором» (данного конкретного вещества) является врожденной и не зависит ни от каких условий. Более того, она наследуется по законам Менделя, подобно группам крови. Как и в последнем случае, на первый взгляд у «дегустаторов» нет явных преимуществ или недостатков в сравнении с «недегустаторами». Одна из двух аллелей, полагаю, аллель «дегустатора», является доминантной в гетерозиготном состоянии. Мне кажется маловероятным, что это случайно открытое вещество уникально. Скорее всего, «различия во вкусах» – в прямом смысле общее правило!

Теперь давайте вернемся к случаю света и углубимся в то, как он получается и каким образом физики определяют его объективные характеристики. Полагаю, всем известно, что свет обычно производят электроны, в частности те, что находятся в атоме и «что-то делают» вокруг ядра. Электрон не является красным или синим – он вообще не имеет цвета. То же самое относится и к протону, ядру атома водорода. Однако если верить физикам, объединившись в атоме водорода, протон и электрон производят электромагнитное излучение с определенным дискретным набором длин волн. Если при помощи призмы или дифракционной решетки разделить это излучение на отдельные компоненты, у наблюдателя возникнет впечатление красного, зеленого, синего и фиолетового цвета – посредством неких физиологических процессов, общие особенности которых достаточно хорошо известны, чтобы утверждать, что в них нет ничего красного, или зеленого, или синего, что данные нервные элементы не проявляют никаких цветов в ходе возбуждения. Белый или серый цвет нервных клеток не зависит от стимуляции и определенно не имеет значения для восприятия цвета, каким сопровождается их возбуждение у их обладателя.

Тем не менее наши знания об излучении атома водорода и об объективных, физических свойствах этого излучения появились благодаря тому, что кто-то увидел эти окрашенные спектральные линии в определенных участках спектра раскаленных водородных паров. Это дало нам первое знание – но отнюдь не полное. Чтобы добиться последнего, нужно немедленно избавиться от чувственных ощущений, что мы и сделаем на данном показательном примере. Сам цвет ничего не говорит нам о длине волны; как мы видели раньше, скажем, желтая спектральная линия вполне может в физическом смысле оказаться не «монохроматической», а сложенной из волн с разными длинами, если только устройство нашего спектроскопа не исключает данный вариант. Он собирает свет определенной длины волны в определенном месте спектра. Этот свет всегда имеет один и тот же цвет, вне зависимости от источника. Однако восприятие его не дает прямых подсказок, позволяющих сделать вывод о физическом свойстве, а именно длине волны. Не буду даже упоминать нашу весьма посредственную способность различать оттенки, которая не удовлетворила бы физика. В теории ощущение синего цвета можно вызвать стимуляцией длинными волнами, а красного – короткими, хотя в действительности все наоборот.

Чтобы дополнить наши знания о физических свойствах света, исходящего из какого-либо источника, требуется особый спектроскоп. Разложение нужно осуществлять при помощи дифракционной решетки. Призма не годится, потому что вы заранее не знаете углов, под которыми она отражает волны разной длины. Они различны для призм из разных материалов. На самом деле, с призмой вы даже не сможете сказать, что сильнее отклоняется излучение с более короткими длинами волн, как оно и есть.

Теория дифракционной решетки намного проще теории призмы. Воспользовавшись основополагающим физическим предположением, что свет есть волновое явление, можно, измерив количество равноудаленных бороздок решетки на дюйм (обычно порядка нескольких тысяч), рассчитать точный угол отклонения для данной длины волны; и, соответственно, наоборот, можно установить длину волны на основании «постоянной дифракционной решетки» и угла отклонения. В определенных случаях, например при эффектах Зеемана[87] и Штарка[88], некоторые спектральные линии поляризуются. К данному явлению человеческий глаз нечувствителен, поэтому, чтобы завершить физическое описание, нужно поставить на пути луча поляризатор (призму Николя), прежде чем разлагать его. Медленно вращающаяся вокруг своей оси призма Николя в определенных положениях гасит или приглушает до минимальной яркости линии, тем самым указывая направление (ортогональное лучу) их полной или частичной поляризации.

Разработав эту технологию, можно применить ее за рамками видимого диапазона. Спектральные линии раскаленных паров вовсе не ограничиваются видимым диапазоном, не имеющим физических рамок. Линии формируют протяженные, теоретически бесконечные серии. Длины волн в каждой серии соотносятся друг с другом согласно свойственному ей несложному математическому закону, который соблюдается на протяжении всей серии вне зависимости от того, какая ее часть лежит в видимом диапазоне. Эти серийные законы были изначально получены эмпирически, но теперь получили теоретическое обоснование. Разумеется, вне видимого диапазона человеческий глаз должна заменить фотографическая пластинка. Длину волн получают посредством прямых измерений: сначала – раз и навсегда – определяют постоянную дифракционной решетки, которая представляет собой расстояние между соседними бороздками (обратную величину числа бороздок на единицу длины), затем – положения линий на фотопластинке. На основании их, зная параметры прибора, можно вычислить углы отклонения.

Эти процессы хорошо известны, однако я хочу подчеркнуть два чрезвычайно важных момента, касающихся почти любого физического измерения.

Положение дел, о котором я здесь рассказал, часто описывают так: по мере уточнения методики измерения наблюдателя постепенно вытесняют все более сложные приборы. В данном случае это не соответствует действительности: наблюдателя не вытесняют постепенно, а заменяют сразу. Я пытался объяснить, что цветовое восприятие наблюдателя не дает ни малейших представлений о физической природе явления. Необходимо использовать приспособление для нанесения решетки и измерения определенных длин и углов, прежде чем мы сможем получить даже самую грубую качественную информацию о том, что называем объективной физической природой света, и о ее физических компонентах. И это существенный шаг. То, что впоследствии устройство постепенно усовершенствуется, оставаясь неизменным по сути, не имеет эпистемологического значения, сколь бы заметными ни были улучшения.

Второй момент заключается в том, что инструменты никогда не замещают наблюдателя полностью – в противном случае он бы не получил никакого знания. Он должен построить инструмент и – в процессе постройки или позднее – аккуратно измерить его размеры и проверить движущиеся части, например опорный рычаг, вращающийся на конической оси и смещающийся относительно круговой шкалы углов, чтобы убедиться, что они движутся правильно. Да, в случае некоторых измерений и проверок физику придется положиться на производителя прибора, однако данная информация в итоге сводится к чувственному восприятию некоего живого человека или людей, каким бы замысловатым ни было устройство, призванное облегчить работу. Наконец, воспользовавшись прибором для исследования, наблюдатель должен считать показания, будь то прямые значения углов или расстояний, измеренные под микроскопом, или расстояния между спектральными линиями, зарегистрированными фотопластинкой. Множество полезных устройств способны облегчить эту работу. Например, можно фотометрически считать прозрачность пластинки и получить увеличенную диаграмму с четко видимым расположением линий. Но их нужно рассмотреть! Рано или поздно чувствам наблюдателя придется взяться за дело. Самая аккуратная запись нам ничего не скажет, если ее не изучить.