"Парадоксы науки. " - читать интересную книгу автора (Сухотин А. К.)

«ЛОМКА СОЗНАНИЯ»

Характерны обстоятельства, сопровождавшие рождение и утверждение квантовой механики.

Она описывает движение микрочастиц, то есть частиц малой массы, обладающих специфическими свойствами. Что и говорить, необычная теория. Пришлось отказаться от многих самоочевидных и, казалось, незыблемых представлений.

Ранее мы уже немного касались этого вопроса в связи с опытами по интерференции. Отметим также, что в микромире теряют смысл рассуждения о траектории частиц. Это понятие применительно к обычным явлениям выражает наличие у тела одновременного определенного импульса или количества движения, равного произведению массы тела на скорость, и определенной координаты, то есть положения в пространстве. Но в микровселенной свои порядки. Здесь знать одновременно и импульс и координату частицы оказывается невозможным. И вот почему.

Допустим, мы решили установить положение микрочастицы в пространстве. Для этого нужно направить на нее луч света. Однако световой поток придает нашей частице такое количество движения, такие возмущения, что совершенно изменит ее местонахождение. Поэтому и не представляется возможным одновременно знать местоположение микрообъекта и его импульс. А чтобы описывать поведение микрочастиц, было введено так называемое соотношение неопределенностей, согласно которому произведение неопределенностей координаты частицы и ее импульса не может быть меньше некой постоянной величины (постоянной Планка).

Словом, открылся особый, доселе невиданный мир странных явлений. Он не поддавался объяснению в понятиях господствовавших в ту пору парадигм. Квантовую механику, пытавшуюся ввести новые понятия, одни называли учением с темным прошлым, напоминающим богословие, другие восторженно приветствовали как появление «пикассо-физнки», третьи ждали, что из этого выйдет.

Первые всходы новой теории дали посевы, произведенные еще М. Планком и А. Эйнштейном в самом начале нашего столетия. Исходным пунктом всей квантовой концепции явилась развитая ими квантовая теория света. Но здесь придется сделать небольшое отступление.

Еще в XIX веке в физике стала признанной идея волновой природы света, победившая корпускулярную точку зрения Сторонники последней (и самый авторитетный среди них И. Ньютон) считали, что свет — поток материальных частиц, или корпускул, и имеет прерывный, дискретный характер. Победившая же ее волновая теория представляла свет в виде волн и только волн, которые распространяются непрерывно. Для пояснения этого взгляда на помощь обычно привлекали образ колеблющейся воды, когда она разбегается от места, куда брошен, например, камень.

Однако к началу XX века обнаружились факты, указывающие на несоответствие между законом непрерывного распространения энергии, в частности, световой, и наличным опытом. Разразилась так называемая «ультрафиолетовая катастрофа». Она и образовала одну из тех тучек, что застилали, по выражению В. Томсона, ясный горизонт физического знания.

И вот в 1900 году М. Планк выдвигает совершенно невероятную, парадоксальную гипотезу. Все же он не внял совету своего учителя Ф. Жолли и занялся теоретической физикой. М. Планк предложил идею «зернистого» распределения энергии. Он пришел к выводу, что электромагнитная энергия, носителем которой является свет, излучается и поглощается атомами не непрерывно, а только строго определенными дозами, квантами.

Квант — это минимальная, неделимая порция энергии.

В шутку говорили, что теперь согласно новым представлениям энергия отпускается лишь целыми единицами, совсем как в отделе штучных товаров.

Это коренным образом переворачивало устоявшиеся представления. По выражению известного советского ученого Л. Ландау, М. Планк ввел в физику алогичность.

Однако далось такое решение естествоиспытателю нелегко. Ввести-то он новые понятия ввел, зато потом всю жизнь терзался этим. Когда М. Планк увидел, что квант рушит закон непрерывности излучения и поглощения света, внося дискретность, прерывность, а еще более, когда понял, что его квант вообще подрывает классические устои, ученый самым настоящим образом встревожился.

Насколько бы это ни показалось странным, но факт имел место: М. Планк выступил против своей собственной гипотезы, противясь ее утверждению в науке. Ктассическая физика, говорил он, «величественное сооружение чудесной красоты и гармонии», на которое так трудно посягнуть. Собственная же теория представлялась ему «чуждым и угрожающим взрывчатым снарядом», могущим нанести непоправимый урон. М. Планк просит, умоляет физиков сохранить классические представления и как можно меньше отходить от принятых законов.

Свои действия ученый объяснял следующим образом: «Я всегда стоял за то, чтобы возможно тесно связать квантовую гипотезу с классической динамикой, нарушая границы последней только тогда, когда опытные факты не дают никакого другого выхода». Таким образом, он принял идею квантов лишь потому, что не видел иного пути для объяснения поведения электрона, то есть принят неохотно, по принуждению.

Характеризуя эти терзания ученого, А. Эйнштейн отмечал, что М. Планк мучительно бился над тем, как вывести физику из затруднительного положения, в котором она оказалась по его же собственной вине. Одним словом, шла настоящая «ломка сознания».

Но если уж сам автор открытия не хотел его принимать, то что говорить о других. А в те времена многие ученые грозились отречься от физики, если «возмутительная» теория М. Планка не будет опровергнута.

Настолько она казалась парадоксальной, противоречащей научной традиции.

В утверждении квантовых представлений неоспорима и «вина» А. Эйнштейна. Он вошел в историю физики не только как творец теории относительности, но и в качестве одного из создателей квантовой концепции вещества и излучения. В 1905 году, развивая идею М. Планка, А. Эйнштейн вводит понятие кванта — порции света, в виде которой свет и существует. Это был знаменитый фотон. Правда, само слово «фотон» тогда еще не было произнесено. Оно появилось десятилетия спустя. Его придумал в 1926 году мало кому известный физик Н. Льюис.

Знаменит же фотон тем, что принес с собой новые странности. Он не имеет, как говорится, массы покоя, то есть не может находиться в неподвижном состоянии.

Он «приговорен» быть постоянно в движении, притом быстрота его перемещений всегда равна скорости света. Фотон и вступает в жизнь, рождается, имея эту скорость, и погибает, превращается в другие частицы, если ему приходится чуть притормозить. Словом, выходит, что свет остановить нельзя.

Все это, конечно, не укладывалось в бытующие представления, было парадоксально. Но парадокс состоял и в том, что А. Эйнштейн не мог примириться с результатами, добытыми им же самим, и вообще с результатами познания в области микроявлений. Так, ученый болезненно переживал, когда ему удалось в 1920 году вывести одну из формул квантовых процессов, не захотел включить квантовые эффекты в теорию пространства — времени.

Особенно характерны его выступления против вероятностно-статистических методов, применяемых квантовой механикой. «Я не верю, — в шутку заявлял он, — что господь бог играет в кости». То был намек на отнюдь не аристократическое происхождение теории вероятностей. Она, можно сказать, дитя азартных игр и обязана своим появлением попытке понять капризный нрав случайных событий, в частности тех, что имеют место при бросании игральных костей. При необходимости, пояснял ученый, еще можно представить себе мир, где не действуют никакие закономерности природы и царит полнейший хаос. «Но мне крайне неприятна мысль, что существуют статистические законы, вынуждающие самого бога сначала разыграть каждый отдельный случай». Впрочем, великий физик не исключал и своего права на ошибки…

Как видим, история повторилась. Подобно М. Планку, А. Эйнштейн видит в идее квантования энергии угрозу самому существованию науки. Как-то в беседе он сказал, что, если квантовая механика окажется справедливой, это будет означать конец физики.

Тем более настороженно встретили идеи А. Эйнштейна другие. Долгое время большинству естествоиспытателей был совершенно неясен смысл введенного им понятия фотона. Среди большинства оказались выдающиеся физики, и даже из числа тех, что возглавляли разработку квантовых идей, например, Н. Бор. Фотону не находилось ни аналога в чувственном мире, ни места в мире традиционных понятий.

Об умонастроении тех времен можно хорошо судить по такому факту. В 1907 году А. Эйнштейн принял участие в конкурсе по кафедре теоретической физики Венского университета на должность приват-доцента. В качестве же конкурсной работы представил опубликованную статью, в которой как раз и развивал новые взгляды в области квантовых явлений. Факультет признал работу неудовлетворительной, а профессор Э. Форстер, читавший курс теоретической физики, возвращая статью, грубо сказал: «Я вообще не понимаю, что вы тут написали!» Остается добавить лишь, что в 1921 году А. Эйнштейну была присуждена именно за эти исследования Нобелевская премия.

Не менее парадоксален также случай, имевший место в 1912 году. М. Планк представлял А. Эйнштейна в Прусскую академию. Отметив заслуги претендента в разработке теории относительности, точнее, пока еще специальной теории относительности, М. Планк просил академиков не ставить в вину ученому создание им гипотезы световых квантов. Эту просьбу разделили с молчаливого согласия самого А. Эйнштейна и ряд других физиков.

Конечно, и М. Планк и А. Эйнштейн делали только первые шаги по неизведанной трассе. Их сопротивление можно понять. Они в авангарде движения, а идущим впереди всегда тяжелее. Но ведь и дальше не стало легче.

Последующее развитие связано с построением в 20-х годах на основе квантовой теории света квантовой механики. Ее становление также сопровождалось глубокой внутренней «ломкой сознания» и изобиловало столь же парадоксальными событиями.

К этому времени в физике утвердилась планетарная модель атома. Ее предложил Э. Резерфорд. Рассказывают, что однажды зимой 1911 года Э. Резерфорд, веселый, вошел в лабораторию и громогласно (впрочем, он всегда говорил громко) объявил: «Теперь я знаю, как выглядит атом».

Согласно его идее атом водорода, простейший из всех состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра (протона) и вращающегося вокруг него легкого электрона, несущего отрицательный заряд. Более сложные атомы имеют несколько зарядов в ядре и соответствующее им число электронов, которые располагаются по разным орбитам, точь-в-точь как планеты вокруг Солнца.

Получалось красиво. Но эту красоту омрачало одно немаловажное обстоятельство.

В соответствии с классическими взглядами, которые покоились на волновых представлениях, энергию атом излучает непрерывно. Поэтому вращающийся электрон должен был через какое-то время, отдав свою энергию, упасть на ядро. А он не падал. Отчего же?

Эта проблема вообще-то возникла не теперь. Она начала волновать физику еще в конце XIX века, когда установили, что атом неоднороден. Поэтому Э. Резерфорд, предлагая свою планетарную модель, понимал, что это не избавляет ее от противоречия с классикой.

Понимал, но считал, что вопрос об устойчивости предложенного им атома на нынешней стадии не нуждается в рассмотрении. То есть объяснять, почему электрон не падает на ядро, пока не надо. А потом, дескать, будет видно.

И действительно, вскоре ответ сыскался.

Опираясь на гипотезу квантования, Н. Бор предложил следующее решение. Атом устойчив потому, что электрон отдает (и получает) энергию не непрерывно, а все теми же порциями, квантами. И случается это в тот момент, когда электрон переходит, точнее, перескакивает с одной орбиты на другую: с более далекой от ядра на более близкую, если излучает энергию, и наоборот, если получает ее. Так были узаконены знаменитые квантовые скачки, которые внесли в умы настоящий переполох и с которыми физикам еще предстоит помучиться.

Раньше всех парадоксальность понятия квантового скачка почувствовал сам Н. Бор. Поэтому его попытка носила компромиссный характер. Он не мог сразу преодолеть мощного давления традиции, и его построения сочетали квантовые законы с идеями классической механики. Это в какой-то мере приглушало остроту парадоксальной идеи. Электроны ходили у него в атоме по классическим орбитам, а перескакивали с одной орбиты на другую уже по законам квантовых процессов.

Имея в виду отмеченную особенность предложенной модели, немецкий физик В. Гейзенберг писал, что Н. Бор предпочитал балансирование (ein Ihn-und-Hergehen, буквально «туда-сюда-хождение») между волновой и корпускулярной картинами.

Заметим, что это решение вызвало резкий отпор со стороны блюстителей старины. Другой немецкий физик, М. фон Лауэ, например, по поводу гипотезы Н. Бора заявил: «Это вздор! Уравнения Максвелла действительны во всех обстоятельствах, и электрон должен излучать» (то есть должен излучать, по мнению М. Лауэ, непрерывно).

Поиски решения проблем атомной физики продолжались. Следующий шаг был предпринят французским ученым Л. де Бройлем. Он высказал смелую догадку.

Наличие как волновых, так и корпускулярных свойств характерно, по его мнению, не только для света, но представляет общую всем микрообъектам закономерность. Стало быть, в движении любой частицы должны иметь место и волновые и дискретные проявления. Это было совершенно парадоксально: проводилась мысль о волновых свойствах вещества, о волнах материи!

Похоже, что к столь крутому повороту дела Л. де Бройль не был готов и сам. Во всяком случае, его построения говорят, что он испытал сильнейшее притяжение классической парадигмы. Выдвинутая им знаменитая идея «волны-пилота» как раз представляла попытку рядом с новым сохранить прежние воззрения.

Недаром предложенные им модели микрообъектов окрестили «кентаврами». Они и впрямь были построены по образцам тех мифологические созданий, что сочетали в себе облик коня с головой человека.

У Л. де Бройля классическое волновое поле управляло движением частицы, вело ее по траектории. Потому оно и было названо ученым «волна-пилот» или «волна-разведчица». Здесь взаимодействуют привычные традиционные образования: корпускула и классическая волна. Конечно, корпускулярные и волновые свойства старой физики подверглись переосмыслению, но они все же остались классическими. И вот парадокс: сама природа предположенного Л. де Бройлем волнового процесса не была ему до конца ясна. Как заметил известный советский физик академик В. Фок, «де Бройль не понимал волны де Бройля».

Это подтверждает и такой факт. Много лет спустя, уже в 50-х годах, Л. де Бройль взбунтовался против тех выводов квантовой механики, согласно которым надо отказаться от понятия траектории элементарной частицы и ввести вероятностное описание движения микрообъектов. Он не разделял эти взгляды и ранее, в 20-х годах, когда они только утверждались.

Но тогда он смирился, а вот теперь вдруг заявил:

«Не верю».

Построение квантовой механики завершают в середине 20-х годов австрийский физик-теоретик Э. Шредингер и В. Гейзенберг.

Развивая идею Л. де Бройля, Э. Шредингер в 1926 году создает волновую теорию движения микрочастиц. Им было показано, что устойчивые состояния атомных систем могут рассматриваться как собственные колебания волнового поля, соответствующего данной системе.

Казалось бы, достигнута полная победа квантовых представлений. Написана теория, хорошо объясняющая поведение частиц, теория, от которой нет возврата в прошлое. Но и здесь парадокс тут как тут.

Вспомним, что М. Планк начал с отрицания волновой теории и утверждения квантования энергии.

А. Эйнштейн говорит еще о наличии у световых волн свойств частиц (понятие фотона), а Л. де Бройль, напротив, ставит уже вопрос о наличии у частиц свойств волны. И вот теперь Э. Шредингер объявляет, что все события, разьпрывающиеся в микромире, есть волновые процессы, и только они. Частицы?.. Их тоже можно мастерить из волн.

Наука как бы совершила виток. Но она не вернулась к исходному пункту. Обогащенная новыми представлениями, она ушла вперед. А вот ученые, прочно удерживаемые традицией, надеялись вернуть старое.

Создавая волновую механику, Э. Шредингер полагал, что, возможно, она со временем приведет опять к более или менее классической картине. По его мнению, ядро атома должно быть окружено не электронами, а волнами материи, которые движутся в обычном трехмерном пространстве. Одновременно он мечтал избавиться от дискретных, квантовых состоянии. Они казались ему иррациональными. «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, — заявил ученый, — то я жалею, что имел дело с квантовой теорией!»

Парадоксально и то, что Э. Шредингер не сразу сам понял все значение своего открытия. Он работал тогда в семинаре известного немецкого физика П. Дебая. Руководитель семинара попросил его сделать сообщение о появившейся во французском журнале статье Л. де Бройля. Однако статья ему не понравилась, и он заявил, что о такой чепухе даже и говорить не хочется.

П. Дебай настаивал. Тогда Э. Шредингер решил представить идею Л. де Бройля в более строгой математической форме и обобщенно. Это удалось. Но то, что он получил, и оказалось знаменитым волновым уравнением (уравнение Шредингера). Оно описывало движение частиц. Как считает П. Дебай, который рассказывал об этом советскому физику П. Капице, даже во время доклада на семинаре Э. Шредингер не осознавал, какое открытие он держит в руках. Ученый искренне полагал, что нашел всего лишь лучший способ изложения мысли Л. де Бройля.

Почти одновременно с Э. Шредингером В. Гейзенберг предложил другой путь описания движения микрочастиц. С его именем связано построение так называемого матричного — в отличие от волнового — варианта квантовой механики.

Квантовые проявления в движении частиц В. Гейзенберг выразил следующим образом. Он сопоставил каждой величине, характеризующей механические состояния частицы, математическую величину в виде матрицы.

Так называется прямоугольная таблица чисел, состоящая из определенного количества строк и столбцов.

К полученным таким образом величинам применялись уже уравнения классической механики. Поскольку матрицы отличались от обычных чисел, это приводило к новым результатам.

Впоследствии оба варианта слились, и в современной квантовой механике эти два метода уже неразличимы.

Но здесь нам хотелось бы отметить, что вначале В. Гейзенберг рассматривал свою теорию как несовместимую с волновой механикой и даже обиделся на учителя М. Борна, который проявил интерес к построениям Э. Шредингера. Впрочем, Э. Шредингер платил тем же.

В этом противостоянии идей также отразилось влияние классических воззрений, не допускавших смешения волновых и дискретных свойств.

Как видим, отцы квантовой механики, создавая принципиально новую теорию, находились в плену старых воззрений. Отсюда парадоксальность положения: не только другие, но и сами создатели нового выступили против собственных идей. Они тяготели к традиционным взглядам, хотя по мере развития квантовых представлений сила этой привязанности ослабевала.