Даниил Данин - Вероятностный мир

• Название: Вероятностный мир
• Автор: Даниил Данин
• Издательство: Знание
• Жанр: Альтернативная история
• Год: 1981

14 декабря 1900 года впервые прозвучало слово «квант». Макс Планк, произнесший его, проявил осторожность: это только рабочая гипотеза. Однако прошло не так много времени, и Эйнштейн с завидной смелостью заявил: квант — это реальность! Но становление квантовой механики не было спокойно триумфальным. Здесь как никогда прежде драма идей тесно сплеталась с драмой людей, создававших новую физику. Об этом и рассказывается в научно–художественной книге, написанной автором таких известных произведений о науке, как «Неизбежность странного мира», «Резерфорд», «Нильс Бор». Собирая материал для своих книг, автор дважды работал в архиве Института теоретической физики в Копенгагене.

Книга научно–художественная. Для широкого круга читателей.

---

Как и следовало ожидать, природа нигде не водрузила пограничного столба с категорическим оповещением: «Досель — владения Галилея — Ньютона — Кеплера, а отсель — Планка — Эйнштейна — Бора». Непереходимого рубежа между атомным миром и миром зримым нет. Ожидать этого следовало ну хотя бы потому, что в противном случае мы с вами, размышляющие на досуге о законодательстве природы, не удостоились бы чести быть сложными конструкциями из атомов (и не сумели бы размышлять о них).

Ради одного философского удовлетворения Бору сто ило из своей теории извлечь «соображения сходства», или принцип соответствия. Но извлек он этот принцип — из формул и опыта — по причине иных, менее возвышенных побуждений.

Надо было еще многое объяснить в поведении атомов как излучателей квантов, не говоря уже об их химических повадках и многом другом. А то, что в движении электронов на атомной периферии, чем дальше от ядра, тем явственней проявлялись классические черты, обнадеживало. Напрашивалась мысль, что удастся раздобыть искомые квантовые формулы по сходству — по соответствию! — с уже известными классическими закономерностями.

Кажется, никогда еще не добывалось таким логически противозаконным путем теоретическое знание в физике, прославленной своей логической требовательностью. Почти неправдоподобно признание одного из гениев боровской школы — Вернера Гейзенберга:

«…Наши усилия были посвящены не столько выводу корректных математических соотношений, сколько угадыванию их по сходству с формулами классической теории».

И ведь угадывали!

Арнольд Зоммерфельд восхищенно говаривал о «волшебной палочке принципа соответствия»: так много хороших— согласных с природой — ответов давала квантовая модель атома даже в своей первоначальной форме, далекой от совершенства. Даже когда она еще не умела разрешить сомнений Резерфорда, Брэгга, Рэлея, Лоренца и других. Стало быть, заключалось в ее основах (покуда не проявленных) что–то глубинно верное, не так ли? Знать бы, что именно?

Тот же Зоммерфельд писал в начале 20–х годов Эйнштейну:

«Все ладится, но глубокие основы остаются неясными».

Точно вторя ему, Макс Борн называл «совершенно таинственными глубокие причины, лежащие в основе» теории Бора.

Не сомневаясь в ее справедливости, сам Эйнштейн восклицал в своем обычном мягко ироническом стиле:

«Если бы я только знал, какие винтики использует при этом господь–бог!»

А многие физики как раз на то и надеялись в конце 10–х и начале 20–х годов, что он–то, Эйнштейн, и сумеет выведать у природы, какие винтики пустила она в ход, конструируя атомный излучатель квантов, да и вообще конструируя микромир. Отражая эту надежду на проницательность создателя квантовой теории света, снова Зоммерфельд писал Эйнштейну так:

«Вы раздумываете над фундаментальными проблемами световых квантов. А я, не чувствуя в себе нужных для этого сил, удовлетворяюсь прояснением деталей квантовых чудес в спектрах… Но для понимания их физической сути я ничего не могу придумать».

И еще так:

«Я могу помочь развитию лишь техники квантов. Вы должны построить их философию».

Однако не Эйнштейну суждено было ее построить. Напротив, ему суждено было стать ее пожизненным противником — неутомимым, изобретательным, стойким, но напрасным оппонентом. И это тем драматичней, что он стоял у колыбели «философии квантов». Больше того: он доверил этой колыбели дитя, которому предстояло расти и крепнуть.

Дитя было кентавром: в нем соединились свойства частиц и волн.

5

Идея существования микрокентавров — идея волн–частиц — не имела ни малейшего отношения к спасению планетарной модели атома от неустойчивости. Да, скачки по энергетической лестнице сопровождаются испусканием или поглощением квантов света. Но для теории атома было безразлично, что такое всякий квант в пространственном отношении — четко ли очерченная корпускула излучения или цепочка электромагнитных волн? И было это безразлично до такой степени, что сам Нильс Бор позволял себе отрицать реальность световых частиц Эйнштейна, а признавал только кванты Планка — порции, какими отмеривается в природе электромагнитная энергия излучения. И это понятно: ведь поначалу Бору лишь одно важно было — как отмеривается излучение. Кванты отмеривались излучающим атомом как разности между двумя уровнями энергии. Вот и все. А странности поведения световых квантов, покинувших атом, Бора тогда не волновали.

Происходило нечто нам уже знакомое и обычное для истории истинной науки: ради достижения успеха познание снова ограничивало свою задачу. И снова вспоминается платоновский Тимей:

«Если мы хотим заниматься астрономией, то нам незачем интересоваться небесными телами».

Но лишь до поры, до времени, не так ли? Разумеется. И в своей книге о Ньютоне Сергей Иванович Вавилов добавил это уточнение к мысли Платона, написав:

«Многие этапы истории науки сопровождались закрыванием глаз до поры до времени на группы факторов и целые области явлений, усложняющих задачу».

Странность, заложенная, очевидно, в природе квантов, отражалась в обескураживающей двойственности их поведения — то корпускулы, то волны…

Замечательно, что эта двойственность света была замечена физиками давным–давно. Два с лишним века назад — в 1756 году — Ломоносов уже подытоживал разные взгляды на движение «тончайшей и неосязаемой материи света»:

«Первое движение может быть текущее, или проходное, как Гассенд и Невтон думают, которым эфир (материю света с древними и многими новыми так называю) движется от солнца и от других великих или малых светящих тел во все стороны наподобие реки беспрестанно. Второе движение может в эфире быть зыблющееся по Картезиеву и Гугениеву мнению, которым он наподобие весьма мелких и частых волн во все стороны от солнца действует…»

Тут Гассенд и Невтон — Гассенди и Ньютон — означены как сторонники корпускулярной теории света, по которой свет — поток частиц. А Картезий и Гугений — Декарт и Гюйгенс — представлены как сторонники волновой теории, по которой свет — поток волн. И вот что интересно: уже тогда Ломоносов должен был признать реальность обоих типов поведения света: он сказал про световую материю, что эти «возможные движения» мы действительно «в оной находим». И будущему поручил разобраться в истинности возникших теорий. Частицы или волны? «Которые действительно есть, или нет, — после окажется»!

Очень долго — С. И. Вавилов полагал, что на протяжении 150 лет, — волновая теория не умела объяснить элементарнейший факт: прямолинейное распространение света. Пожалуй, именно поэтому весь XVIII век в физике господствовала, хоть и не безраздельно, корпускулярная теория. Уж этот–то факт она объясняла проще простого: а как же еще могли световые частицы лететь сквозь пустоту, если не прямолинейно?!

Но эта же прямолетность частиц света мешала корпускулярной теории описать другое явление: способность света огибать препятствия — дифракцию. Из–за нее у теней не бывает абсолютно резких границ. Если свет — волны, тогда все понятно: волны и должны делать границы теней расплывчатыми, ибо могут заходить за край предмета. А прямолетящим частицам делать это не дано. Дифракция стала доводом против корпускулярной теории и помогла восторжествовать волновой.

А было еще явление интерференции. Сам Ньютон демонстрировал его воочию: «Если наложить выпуклую пластинку на плоскую, то… в однородном свете образуются светлые и темные кольца». Он растолковывал, что эти кольца — результат наложения «пропущенного и отраженного света». Но трудно было объяснить, как могла возникнуть темнота там, где встречались — накладывались друг на друга — два световых луча, если это были потоки корпускул? Освещенность должна была бы только усилиться.

А для волновой теории это явление интерференции не представляло никаких затруднений. Волны могли взаимно усиливаться, встречаясь своими горбами, и могли взаимно погашаться, когда горб одной приходился на впадину другой. Чередование светлых и темных колец естественно истолковывалось, как волновая картина.

К слову сказать, для волновой картины было совершенно необязательно знать, что именно «волнуется», порождая свет, воображаемый ли эфир или более реальные силы электромагнитного поля. В нашей хорошей истории еще появятся и другие волны, тоже умеющие взаимно интерферировать. И хочется привести еще один вариант все той же платоновской мысли, высказанный современным физиком — другом и соавтором Льва Ландау начала 30–х годов — Рудольфом Пайерлсом:

«…Чтобы понять, как происходит интерференция, не нужно интересоваться природой волны. Достаточно знать только, что существует некая величина, которая колеблется…»

Колебания разного знака — колебания в противоположные стороны — могут гасить друг друга, а колебания одного знака — усиливаться. Вот и весь механизм интерференции. Он стал сильнейшей опорой волновой теории света. Тем более что удалось волновым построением безупречно объяснить и прямолинейность распространения световых лучей.