Физика - моя профессия

Капитуляция Глава 8

…где рассказывается о том, как был окончательно посрамлен «здравый смысл» в результате открытия закона движения электронов.

Вопрос: «Что там внутри?» – ребенок пытается решить, разламывая пополам любимую игрушку. Очевидно, этот интерес сохраняется у человека на всю жизнь. Так по крайней мере пытаюсь я объяснить сравнительно высокую любознательность, которую проявляет широкая публика к структуре вещества.

– Скажите, из чего состоит молекула? Да, да, из атомов, вспоминаю. Ну, а вот молекула воды, как она построена, можно узнать?

– Пожалуйста, посмотрите на рисунок. Атом кислорода в центре, а два атома водорода – по бокам.

– Замечательно, а главное, как просто, и наука сумела установить, что три атома не лежат на одной прямой. Я теперь совершенно ясно представляю, как построена молекула воды. А атом из чего состоит?..

К началу XX века физики остановились на модели строения атома, предложенной Резерфордом. Атом состоит из положительно заряженного электричеством крошечного ядра, которое находится в центре атома, а вокруг него вращаются электроны в количестве, как раз соответствующем порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

– Скажите, как просто, – умилялись читатели журналов того времени. – Напоминает планетную систему.

Разламывание частичек вещества продолжалось. Добрались физики и до атомного ядра. Оно оказалось построенным из нейтронов и протонов.

– Потрясающе, – изумлялись читатели. – А разрешите узнать, ядро тоже что-то вроде планетной системы?

– Нет, нет, – отвечали физики. – Ядро вы можете себе представить… ну, скажем, как горошинки в блюдце. Понятно?

– Ну, конечно. Это же так просто, – восхищался читатель, – все совершенно ясно.

Беспрерывно увеличивая мощности своих приборов, физики продолжали сталкивать частицы между собой, изучая их превращения. К середине нашего столетия накопилось уже достаточно опытных данных, чтобы можно было ответить на настойчивые вопросы любителей науки.

– А протон и нейтрон из чего построены?

– Установлено, – отвечали физики, – что протон превращается в нейтрон и позитрон.

– Очень интересно, значит протон состоит из нейтрона и позитрона?

– Одну минутку, – говорил физик, – так сказать нельзя. Видите ли, опыты показывают, что нейтрон превращается в протон и электрон.

– Как, как? Я что-то перестаю понимать. Так как же: протон – это часть нейтрона или нейтрон – это часть протона?

– Да и то и другое неверно, – сообщал физик. – Протон и нейтрон – это элементарные частицы, и особенности их характеризуются законами превращения.

– Гмм… Понимаю, – неуверенно бормочет читатель теперь уже XX века, – так-то оно, конечно, так, но не вполне ясно. Говорилось, что частица эта элементарная. А какая же она элементарная, если может превращаться? И потом протон в нейтроне, нейтрон в протоне… В общем раньше картина была ясней, а сейчас что-то не то. Дальше надо исследовать…

Пока структурные картинки могут быть нарисованы на бумаге, так называемое понимание физики достигается без малейшего труда. Иногда можно на бумаге и не рисовать, достаточно сослаться на знакомый образ (как горошинки на блюдце) или на привычный факт и сказать, что и здесь дело обстоит таким же образом. И на лице слушателя появляется выражение полного удовлетворения – он все понял. Покойный наш физик Яков Ильич Френкель часто говорил: «Нет непонятного, есть непривычное». И это золотая правда.

В конце сороковых годов на меня свалилась известность публичного лектора.

– Прочитайте популярную лекцию про атомную энергию. Что это за явление? – просили меня раз за разом.

После нескольких лекций, в которых я пытался связать атомный взрыв с законом эквивалентности Эйнштейна, я понял, как трудно слушателям усваивать материал из моих объяснений. Манеру изложения пришлось изменить. Лекция начиналась с вопроса: «Все знают, что дрова при горении дают тепло?» Зал благодушно кивал головой.

– Выделение тепла – это результат химической реакции горения, – продолжал я. – Молекулы кислорода сталкиваются с молекулами топлива, старые молекулы разламываются, образуются новые.

Далее я объяснял, что новые молекулы движутся быстрее старых. И в этом все дело. Ведь тепло связано с быстротой движения молекул.

– Итак, понятно, почему горящие дрова дают тепло?

Зал удостоверял полное понимание. Как дрова горят, видел каждый, наука объяснила, что так и должно быть. Значит, все в порядке. Я шел дальше.

– Так вот, выделение атомной энергии ничем не отличается от выделения химической энергии. Только в первом примере сталкиваются молекулы, а во втором атомные ядра.

Этот обходный маневр, заключавшийся в том, что я объяснял неизвестное на знакомом привычном примере, имел стопроцентный успех. Новое было сведено к обычному. Объяснялось не новое, а то, к чему привыкли, а перенос объяснения на другой предмет ссылкой на полную аналогию воспринимался как нечто само собой разумеющееся.

Но мы отклонились от темы. Речь у нас шла о том, что завоевания физиков в отношении строения вещества поддавались популяризации довольно легко, поскольку превосходно согласовались со здравым смыслом и интерпретировались при помощи простых рисунков и моделей. Подтверждением этому служит такой факт. В послевоенные годы мною была написана популярная брошюра «Строение вещества», которая разошлась чуть ли не миллионным тиражом. Редакция получала трогательные письма читателей. Одно из них было от старшей доярки колхозной фермы.

«В обеденный перерыв, дорогой профессор, – писала она, – мы читаем вашу книжечку. Все написано так ясно и отчетливо, что мы хорошо поняли, из чего построены частицы».

Значит, объяснять, как устроено вещество, было нетрудно. Совсем иначе обстоит дело с попыткой популярного разъяснения законов движения частиц. Эти законы были открыты почти сорок лет назад и привели в состояние полного замешательства своих современников. Причина состояла в том, что не существует аналогии, с помощью которой можно было бы дать представление о характере движения электрона. Нет ничего привычного, на что можно было бы сослаться.

В своих суждениях о характере движения невидимых частиц материи мы пытаемся исходить из житейского опыта. Возможности наших представлений о движении исчерпываются двумя вариантами. Первый из них – частица перемещается, как крошечная горошинка: в каждое следующее мгновение она переходит из одной точки пространства в другую. Мы уверены, что можно сфотографировать такое движение; на фотопластинке будет виден след – траектория частицы. Второй вариант – мы не видим движений отдельных частиц, а наблюдаем перемещения сплошной среды (морские волны – превосходный пример).

До 1925 года не было сомнения, что движение материи – идет ли речь о свете, радиоволнах или электронах – может быть либо тем, либо другим. Ведь третьего варианта невозможно себе представить. И верно – представить нельзя. Но оказалось, что элементарные частицы ведут себя иногда, как горошинки, а в других случаях – как сплошная, непрерывная материя. Нельзя перенести на элементарные частицы законы движения, заимствованные из большого мира – макромира.

До 1925 года звучало аксиомой то, что описание движения частицы заключается в указании траектории, по которой она движется, и в указании скорости движения в каждой точке траектории. Однако это оказалось невозможным сделать для электрона и других элементарных частиц.

Основной закон движения элементарных частиц (не всеобъемлющий, но охватывающий очень широкий класс событий) был дан немецким физиком Эрвином Шредингером. Исходное положение новой науки, которая получила название волновой, или квантовой, механики, звучало необычно. В противоположность классической механике задание внешних сил не определяет траектории и скорости частицы. Закон новой механики позволяет вычислить лишь вероятность того или иного положения частицы.

На первый взгляд может показаться, что никаких революционных выводов физика не получила. Просто волновая механика – плохая теория и не позволяет вычислить точно механическое движение электрона. Но дело обстоит совсем не так.

Несколько позже было показано, что уравнение Шредингера дает исчерпывающее знание поведения электрона. А те данные, которые в принципе не могут быть вычислены, также в принципе не могут быть и измерены на опыте. Скажем, как только вы будете пытаться «рассматривать» электрон, вы столкнете его с траектории. Но то, что ускользает от измерения и вычисления, просто не существует на свете. Пришлось согласиться, что нет такого понятия, как траектория электрона.

Если траектории нет, то как же описать движение электрона? Оказывается, можно вычислить и измерить вероятность нахождения электрона в том месте, которое нас интересует. Если речь идет об электроне, вращающемся около ядра атома, то нельзя нарисовать орбиты, по которой он движется, зато можно заштриховать кольцевую область, внутри которой электрон может быть найден с шансами 99:1 или 999:1 (в последнем случае кольцо будет пошире).

Неопределенность, с которой мы узнаем местонахождение электрона, определяет точность, с которой может быть вычислена скорость его движения. Немецкий физик Вернер Гейзенберг показал, что произведение неопределенностей координаты частицы и соответствующей скорости равно частному от деления некоторого постоянного числа – константы Планка – на массу частицы. Поэтому, чем точнее известна скорость, тем более расплывчаты сведения о местонахождении частицы, и наоборот.

Может все же показаться, что речь идет всего-навсего о неполном описании движения электрона: траектория у него, наверное, есть, не может быть, чтобы ее не было, убеждает нас здравый смысл, просто физики еще не научились ее ни вычислять, ни измерять.

Придется привести описание схемы опыта, который покажет несостоятельность и такого мнения. Представьте себе экран с двумя щелями. На экран направлен поток электронов, часть электронов проходит через отверстия и попадает на помещенную сзади экрана фотопластинку. Делаем две фотографии: первую, закрывая одну из щелей, и вторую – когда обе щели открыты. Сопоставляя два снимка, мы на втором увидим сложную систему темных и светлых полос – будто в одни места пластинки электроны попали, а в другие нет. Для электронов, ведущих себя как горошинки, это совсем непонятно. Но дальше – хуже. Обратим внимание лишь на одну подробность: на фотографии одной щели мы можем найти такое место, куда электроны, безусловно, попали, а это же место на фотографии двух щелей оказывается не тронутым электронами. Кажется, чудо. Ведь открытие второй щели должно привести к дополнительному попаданию электронов-горошинок, но уж никак не к посветлению фотографии.

Положение дел, наблюдаемое на опыте, категорически исключает возможность представить электроны, как частицы, имеющие траекторию. Как же тогда быть? Оказывается, явление легко объясняется, если допустить мысль, что электроны – волны. Тогда гребень одной волны, приходя на впадину другой, может привести к нулевому результату, хотя при действии порознь обе волны вызывают определенный эффект.

Приходится согласиться с тем, что представление об электроне, как о частице с траекторией (и то же самое относится к другим элементарным частицам), противоречит опыту.

На вопрос – в какой мере и в каких опытах электрон проявляет то свои волновые свойства, то сходство с горошинкой – исчерпывающе отвечает уравнение Шредингера.

Огромное количество экспериментальных фактов большой сложности объясняет это уравнение. С его помощью предсказываются сложнейшие события в жизни элементарных частиц. Ни один из физиков не сомневается в справедливости этого закона природы.

Закон квантовой механики возводит волновокорпускулярный дуализм частицы в ранг аксиомы. Правда, следует помнить, что мы говорили о временном характере научного потолка. Вполне возможно, что сегодняшние аксиомы окажутся следствиями еще не найденных более общих законов природы.

Один остроумный довод в пользу того, что закон волновой механики является временным потолком, если не ошибаюсь, принадлежит виднейшему физику современности англичанину Полю Дираку.

Три фундаментальные константы входят в основные законы, управляющие поведением элементарных частиц, – это скорость света, заряд электрона и постоянная Планка, о которой недавно была речь. Если помножить постоянную Планка на скорость света и разделить на квадрат заряда электрона, то получится безразмерное число 137. (Безразмерное – значит не зависящее от выбора единиц измерения.) Почему это отношение равно именно 137, а не какому-либо другому числу? Будущая теория должна дать ответ на этот вопрос. Но если она это сделает, то вместо трех фундаментальных констант их окажется две. Теория, которую мы ждем с нетерпением, должна автоматически вывести значение одной из них через две Другие.

Представляется наиболее логичным, что этой третьей, производной константой явится постоянная Планка (я опускаю аргументацию, которая в общем является довольно произвольной). Но постоянная Планка, определяя ту предельную точность, с которой могут быть одновременно установлены координата и скорость частицы, лежит в основе принципа неопределенностей. Вывод из этого рассуждения таков: будущая теория обойдется без принципа Гейзенберга, а значит, изменит наше понимание волновокорпускулярного дуализма.

Четверть века назад представлялось, что этот шаг в прогрессе физической теории не заставит себя ждать. Развитие науки не оправдало этих ожиданий. Новая интерпретация движения элементарных частиц все еще ждет своего автора.

Но будет или не будет волновокорпускулярный дуализм объяснен, то есть окажется ли он или не окажется следствием более общих законов природы, все равно зрительное представление движения элементарных частиц невозможно.

Это обстоятельство казалось совершенно невыносимым зрелым физикам, воспитанным на идеях XIX века. Чтобы представить их, так сказать, моральное состояние, любопытно перелистать некоторые страницы дополнительного тома «Курса физики» Ореста Даниловича Хвольсона. Этот том Хвольсоном написан незадолго до своей смерти и вышел в свет в начале тридцатых годов. Пять толстых томов «Курса физики» Хвольсона просматриваются сейчас только теми, кто интересуется старой физикой. Изданные в начале двадцатых годов, они давали исчерпывающее представление о теоретической и экспериментальной физике, созданной XIX веком. Материал излагается строгим научным языком. Физические явления толкуются с единых позиций: механическое движение частиц и непрерывность среды объясняют все физические явления. Конечно, были и неясности, но они представлялись несущественными, временными; в общем это были мелочи.

Замечательный педагог и популяризатор физики Хвольсон не мог остаться равнодушным к рождению новых физических идей. Он понимал, что здание физики должно быть перестроено. Писать весь «Курс физики» заново ему не под силу, и он пишет книгу, посвященную бурным событиям последнего десятилетия. Но как отлична эта книга от предыдущих томов, куда делся спокойный, торжественный тон и убежденная уверенность в незыблемости основных принципов физической науки! Приведу несколько цитат, чтобы дать представление о том глубоком потрясении, которое испытали современники открытия механики малых частиц.

Хвольсон пишет, что при изложении микромеханики он сталкивается с колоссальными трудностями, «…причем термин «трудность» мы откровенно могли бы заменить словом “невозможность”. Наибольшее затруднение лежит «в отвлеченности основных понятий и величин, которыми орудует новая наука». И далее: «Беспощадно уничтожаются считавшиеся до сих пор неопровержимыми основы не только науки, но отчасти и научного мышления вообще вплоть до основного закона причинности, без которого, казалось бы, никакое научное построение немыслимо. Отрицается право строить объяснение наблюдаемых нами явлений на определенных, ясно сформулированных гипотезах о закулисных, непосредственному наблюдению недоступных первоисточниках этих явлений. Возводится в догмат новая мысль, что наука должна иметь дело исключительно только с такими величинами, которые могут быть наблюдаемы и измерены».

Все это положение кажется Хвольсону временным: «…придет время – туман рассеется, и истина обнаружится во всей ее глубине и красоте».

Несмотря на то, что справедливость законов волновой механики была сразу же признана и область ее применений начала расширяться с поразительной быстротой, отказ от возможностей зрительного представления движения электронов и других частиц продолжал волновать физиков.

Но подрастало новое поколение физиков, которым не пришлось переучиваться. Оказалось, что аксиомы, касающиеся движения микрочастиц, они воспринимают без всякого внутреннего сопротивления. Напротив, молодежь недоумевала: что странного находят «старики» в том, что явление, протекающее на уровне невообразимо крошечных частиц, протекает совсем не так, как события, наблюдаемые нами непосредственно в мире больших вещей?

Постепенно укреплялось мнение, что основная роль физической теории заключается в том, чтобы связывать между собой явления. Мало кто задумывался над возможностью подыскания моделей для описания «вещей в себе», то есть таких событий, которые в принципе не обнаруживаются на опыте. Обострилось критическое отношение к бессодержательным утверждениям, не допускающим экспериментальной проверки. Создавалась уверенность, что путь к истине лежит через установление исчерпывающей взаимосвязи между явлениями.

Разумеется, это не значит, что модельное мышление было скинуто со счетов. Напротив, вошел в обиход ряд наглядных способов изображения явлений. Но новые модели преследовали лишь одну цель – облегчить мышление по аналогии. Скажем, типичным является теперь использование различных объемных конструкций, которые отражают поведение частицы не в нашем обычном пространстве, а в условном, осями которого служат скорости движения частиц. Это уже совсем другое дело.

Но между старой и новой механикой нет непреодолимой пропасти. Одна из них плавно переходит в другую. По мере утяжеления частицы ее зрительный образ начинает просвечиваться все яснее через лес математических формул. Ведь согласно принципу Гейзенберга неопределенности тем меньше, чем больше масса частицы.

Отказ от моделирования движения электрона не означает невозможности модельного представления формы и размеров, а также движения атомов и молекул. Поведение молекул мы имеем право описывать совершенно так же, как поведение видимых тел.

Впрочем, исключительные успехи электронной микроскопии позволили разглядеть крупные молекулы.