Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления - Пётр Капица

Научные открытия будущего.

Сейчас я хочу остановиться на тех областях науки, которые, как можно предполагать, будут заново возникать в будущем. Тут прогнозы можно делать исходя из разных предпосылок. Я предполагаю это сделать по принципу экстраполяции и поэтому начать рассмотрение с оценки количества новых явлений природы, которые были открыты наукой в течение прошедших лет. Я хочу оговориться, что выражение «новое явление» я прилагаю к такому физическому явлению, которое нельзя ни полностью предсказать, ни объяснить на основе уже имеющихся теоретических концепций, и поэтому они открывают новые области исследований. Чтобы сделать предложенную экстраполяцию более ясной, я назову главные, основные новые явления в физике, которые были открыты за последние сто пятьдесят лет.

Прежде всего я хочу назвать открытие Гальвани в 1789 г. электрического тока, которое, конечно, никак не вытекало из существовавших тогда теоретических концепций о природе электричества, в основном созданных Франклином.

Следующее открытие, подходящее под данное определение, — это открытие Эрстэдом в 1820 г. влияния электрического тока на магнитную стрелку. С нашей точки зрения, сделанное позже открытие Фарадеем магнитной индукции не является новым, так как магнитная индукция по своему существу представляет собой явление, обратное открытому Эрстедом, и, таким образом, в то время его можно было предвидеть. Работы Эрстеда и Фарадея привели к закону Ленца, к созданию уравнений Максвелла и к ряду других фундаментальных выводов, но все они были разработкой основного открытия Эрстеда, предсказать которое на теоретической основе было совершенно невозможно. Следующий пример нового явления — внешний фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем (мы все, конечно, гораздо больше чтим Герца за обнаружение им электромагнитных волн). Это явление также невозможно было предвидеть теоретически. На основе изучения фотоэффекта лет тридцать спустя вывел свои знаменитые уравнения Эйнштейн, определивший квантовую природу этих явлений. Принцип неопределенности и квантовая теория были предопределены открытием фотоэффекта, и все замечательные научные разработки этого явления составляют лишь дальнейшую методическую работу.

Затем можно назвать открытие Беккерелем в 1896 г. радиоактивности (которую также нельзя было предугадать на основе существовавших тогда теорий), заложившей начало ядерной физики.

Далее, обнаружение Томсоном электрона тоже можно рассматривать как открытие нового явления, заложившего основание современной электроники. Эксперимент Майкельсона и Морли, поскольку он дал результат, который нельзя было предвидеть теоретически, тоже можно назвать открытием новых явлений, установивших основные принципы теории относительности. Нельзя было предугадать открытие Гессом в 1919 г. космических лучей. Я полагаю, что нужно отметить как новое открытие также деление урана, сделанное Мейтнер и Ганом.

Что типично для всех прежних открытий? Прежде всего ценность их осознавалась полностью лишь через 20—30 лет, когда становилось понятным, что они не могут быть объяснены научными взглядами того времени, и поэтому под их влиянием менялись и развивались новые направления в основных теоретических концепциях.

Возможны ли подобные открытия в будущем? Исчерпаны ли в настоящее время все физические открытия в природе? Есть ли еще такие фундаментальные новые явления в природе, которые ждут своего открытия?

Если построить кривую и по горизонтальной оси отложить время, а по вертикальной — число открытий и если добросовестно рассмотреть эту кривую открытий, то мы увидим, что она не имеет тенденции падать к нулю. Поэтому, экстраполируя эту кривую, мы видим, что в ближайшем будущем мы будем свидетелями еще не одного не менее важного и «нового» открытия, чем только что перечисленные. Они позволят еще глубже понимать окружающую нас природу и предоставят в распоряжение людей новые возможности для роста нашей культуры. Обычно можно видеть, что люди склонны считать, что они уже знают о природе все, что можно знать. Так было всегда. Достаточно почитать труды современников Ньютона, чтобы видеть, что и тогда многие считали, что с открытием классических законов механики закончено познание мертвой природы. Хотя это часто и противоречит нашему субъективному ощущению, но мы не должны впредь делать ту же ошибку — считать, что в будущем новых открытий не будет сделано.

Возможно, вы спросите меня, какие же это будут открытия? Если бы я мог их предсказать, то тем самым они не стали бы неожиданными и новыми. И все же я хочу привести один пример, когда мне казалось, что я мог бы сделать открытие, которое уже было передо мной, но я не попытался его осуществить. В этом примере есть поучительный элемент.

Когда в 30-е годы я получил очень сильные магнитные поля, в 10 раз сильнее тех, которые получали до меня, ряд ученых советовал мне провести опыты по исследованию влияния сильного магнитного поля на скорость света. Настойчивее всех со мной говорил об этом Эйнштейн. Он сказал: «Я не верю, что бог создал вселенную такой, что в ней скорость света ни от чего не зависит». Эйнштейн любил в подобных случаях ссылаться на бога, когда более разумного довода не было. Из сделанных уже в этом направлении опытов было известно, что если бы я осуществил такой опыт с моими более сильными полями, то все же эффект был бы очень маленький, только второго порядка. При этом, конечно, истинную величину эффекта, поскольку явление было бы новое, предвидеть было нельзя. В то же время опыт обещал быть исключительно сложным, так как до этого проводились подобные эксперименты с полями до 20 тысяч эрстед, и они показали, что даже при очень чувствительном методе измерения магнитное поле заметно не влияет на скорость света.

Другим человеком, настаивающим на этом эксперименте и даже предлагавшим финансовую поддержку, был Оливер Лодж. Он также обращался ко мне с советом осуществить этот исключительно трудный и тонкий опыт. И все же я отказался. Почему? Поясню это следующим поучительным примером, который, может быть, многим неизвестен.

Как вы помните, закон сохранения вещества был экспериментально открыт Ломоносовым в 1756 г. и несколько позже Лавуазье. В начале нашего века Ландольт проверил его с большой точностью. Он также поместил вещество в запаянных сосудах, и точно взвесил его до и после реакции, и показал, что вес остался неизменным с точностью не меньше чем до десятого знака. Если взять энергию, которая высвобождается при химической реакции, и, согласно уравнению из теории относительности, выведенной Эйнштейном, рассчитать изменение в весе вещества, то окажется, что если бы Ландольт провел свой опыт с точностью на два — три порядка больше, то он смог бы заметить изменение веса в прореагировавшем веществе. Таким образом, мы знаем теперь, что Ландольт очень близко подошел к открытию одного из самых фундаментальных законов природы. Но предположим, что Ландольт затратил бы еще больше сил на этот опыт, проработал бы еще лет пять и поднял бы точность на два — три порядка и заметил бы это изменение в весе, то большинство ученых ему все же не поверили бы. Известно, что один опыт, сделанный с предельной точностью, всегда неубедителен и, чтобы его проверить, надо, чтобы нашелся еще один экспериментатор, готовый затратить на него тоже лет десять усиленной работы. Жизнь подсказывает, что пока решение задачи известными методами лежит на пределе точности эксперимента, убедительными они могут быть, лишь когда сама природа подскажет новый метод решения. В данном случае так и было: закон Эйнштейна был довольно просто проверен Астоном, когда он изобрел и разработал новый, точный метод определения массы радиоактивных изотопов по отклонению ионного пучка. Поэтому мы должны ждать и в описанном мною случае, когда сама природа предоставит нам новые методические возможности изучать влияние магнитного поля на скорость света, и, вероятно, тогда появится простой и убедительный эксперимент для изучения этого явления. Вот почему я отказывался от проведения этих сложных опытов. Заканчивая этот раздел, я думаю, что с полной уверенностью можно сказать, что в недалеком будущем физикам предстоит открыть еще очень много нового и интересного, и уместно вспомнить слова Гамлета: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам». Так было триста лет назад, во времена Шекспира, и так будет всегда. В сущности, здесь идет речь не о чем ином, как о законе непрерывного диалектического развития познания человеком природы.

Важнейшие научные проблемы ближайшего будущего. Помимо открытия новых явлений природы, которые мы не можем предвидеть, главные усилия ученых всегда будут направлены на более глубокое изучение уже открытых явлений природы, на решение методических и прикладных задач. Чтобы найти те направления научных работ, которые в ближайшем будущем станут ведущими, надо определить области естествознания, которые теснее всего связаны с наиболее актуальными запросами жизни.