Кванты и музы

ГЛАВА 1

В науке, как и в искусстве, есть вечные темы, волнующие человечество. Каждая эпоха вкладывала в эти животрепещущие темы свой, особый смысл.

Пожалуй, нет и не было в науке проблемы, на решение которой потрачено столько сил и времени, сколько на проблему строения материи — проблему частиц и волн, вещества и излучения. Возникнув в глубокой древности, она не покорилась учёным и в наши дни. Более того, теперь, когда мы познали её глубже, она представляется более сложной, чем когда-либо ранее.

Эта проблема больше чем любая иная фонтанировала самыми разнообразными сенсациями, и истинными, и ложными.

Представление о простейших неделимых атомах позволило древним мудрецам нарисовать картину вечно изменяющегося мира. Они учили: мир — это атомы и пустота. Но позднее боязнь пустоты заставила Аристотеля отвергнуть мысль о существовании атомов. Пространство, считал он, сплошь заполнено материей. Эту материю он назвал эфиром. Точка зрения великого философа просуществовала века…

Такое же ложное ощущение истины создалось у людей и по отношению к природе света. Луч света ещё от Евклида считался символом прямой линии. Но ни один из мудрецов не мог объяснить, как прямая линия, не изгибаясь, может оббегать препятствия и в чём тайна семицветной радуги…

Уже Роджер Бэкон предчувствовал волновую сущность оптических явлений. И величайшие оптики всех времён — Гюйгенс, Гримальди, Френель — верили, что свет — это волны заполняющего мир океана материи, волны эфира. Одни считали свет продольными волнами эфира, другие — поперечными, некоторые говорили о натяжении эфирных струп, фантазировали об игре эфирных вихрей.

Только Ньютон заговорил о частицах света, корпускулах, которые могут распространяться в пустоте без помощи эфира. Но он же интуитивно почувствовал, что многообразие оптических явлений не может быть непротиворечиво объяснено ни на основе корпускул, летящих в пустоте, ни при помощи волн в океане светоносного эфира. Он склонялся к признанию корпускул, но понимал, сколь трудно примирить их с явно периодическими явлениями, проявляющимися в поведении света, со многими свойствами света, которые Ньютон подробно изучил при помощи опытов и описал математическими формулами.

Ньютон поставил проблему волн и корпускул перед потомками в серии вопросов, завершавших его замечательную «Оптику». Это был XVII век, а в следующем веке волновая теория света, опирающаяся па эфир и построенная Гюйгенсом, а затем усовершенствованная Френелем, вытеснила корпускулярную теорию Ньютона. Решающим аргументом послужила возможность объяснить всё разнообразие известных явлений при помощи одной-единственной гипотезы: свет — это поперечные колебания эфира.

Если не идти глубже, не пытаться понять, что такое эфир, то теория Гюйгенса — Френеля не только не приводила к противоречиям, но укреплялась, встречаясь с любыми возражениями и парадоксами. Так, например, Пуассон, на основании теории Френеля, рассчитал, что на экране — в центре тени от непрозрачного диска — должно периодически появляться светлое пятно. Это пятно должно пунктуально возникать и исчезать по мере отодвигания диска от экрана, на котором наблюдают его тень.

Но Пуассон, серьёзный и авторитетный учёный, заявил: этого не может быть!

Для рассмотрения работы Френеля Академия наук назначила специальную комиссию. В неё помимо Пуассона входили выдающиеся ученые: Араго, Био, Гей-Люссак и Лаплас. Комиссия согласилась с Пуассоном в том, что нельзя поверить в это предсказание, а значит, следует отвергнуть теорию Френеля, если… если он не подтвердит столь невероятное предположение опытом…

Такова судьба любых утверждений, построенных на гипотезах. Один-единственный опыт может опровергнуть все. Сколько заманчивых гипотез было опрокинуто экспериментом! Но в данном случае было не так.

Араго помог Френелю провести решающий эксперимент, и члены комиссии собственными глазами увидели периодическое появление света там, где «здравый смысл» предсказывал полную тень!

Казалось, теперь ничто не способно опровергнуть волновую теорию света. Тем более что после трудов Максвелла она, по существу, избавилась от последнего родимого пятна — от эфира. Уравнения Максвелла, хотя это было понято не легко и не быстро, сделали эфир излишним в волновой теории света. Свет, как частный случай электромагнитных волн, оказался самостоятельной субстанцией, способной существовать без помощи эфира, прямо в пустоте. Однако эта точка зрения продержалась недолго. Люди никогда не довольствуются достигнутым. Учёные не составляют исключения, а дороги науки не остаются подолгу прямыми.

Научившись сворачивать радужную полоску спектра в белый свет, Ньютон не только заложил основу экспериментальной физики, но и подвёл мину замедленного действия под здание воздвигнутой им же классической физики.

Исследования Ньютона дали толчок тому, что в конце концов превратилось в спектральный анализ — способ вещества на основе исследования свойств излучаемого или поглощаемого им света. Возник пристальный интерес к процессам взаимодействия света с веществом.

В середине XIX века начала интенсивно развиваться новая наука — термодинамика, возникшая как реакция на необходимость совершенствования паровых машин и на неудачи творцов вечных двигателей.

Попытки сочетать между собой эти две области науки и столкновение точек зрения термодинамики и спектрального анализа — привели в конце XIX века к удивительной ситуации, получившей наименование ультрафиолетовой катастрофы. Расчёты показывали, что, вопреки очевидности, нагретые тела не должны излучать видимого света. Если они и способны испускать электромагнитные волны, то лишь самые короткие, лежащие далеко за пределами фиолетового края солнечного спектра. Там, по предсказанию формул, уходит в ничто энергия нашего мира…

Отчаянные попытки крупнейших физиков рассеять призрак ультрафиолетовой катастрофы, сочетать теорию с опытом, не приводили к успеху. Выход в канун прошлого века нашёл немецкий физик Планк. Впоследствии, в своей нобелевской лекции, он говорил:

«После нескольких недель самой напряжённой в моей жизни работы тьма, в которой я барахтался, озарилась молнией, и передо мною открылись неожиданные перспективы».

Планк понял, что, несмотря на кажущуюся абсурдность его догадки, на очевидную противоречивость привидевшегося ему процесса, обмен энергией между световыми волнами и веществом происходит не непрерывно, на чём основывались прежние формулы, а малыми конечными порциями. Это вполне соответствовало бы ньютоновским корпускулам, но это никак невозможно представить, если продолжать считать, что свет — волны. Кроме того, если свет — волны, давно произошла бы ультрафиолетовая катастрофа, из мира ушло бы всё тепло.

Значит, энергия в природе передаётся не непрерывно, а толчками, квантами. Именно такой механизм существования энергии спасает мир от гибели…

Эта сенсация разделила всех учёных на два лагеря — верящих в точку зрения Планка и яростно ей сопротивляющихся. Сам Планк оказался во втором лагере. Он себе не верил…

Положение ещё более осложнилось неудачными попытками объяснить явление фотоэффекта, открытое также в конце XIX века Столетовым. Оно заключалось в том, что под действием света из металла вылетали электроны, вылетали подобно осколкам камня из стены, в которую ударяет пуля. Было очевидно, что свет способен вырывать электроны из поверхности металла, освобождать их поодиночке.

Снова опыт заставлял учёных отнестись серьёзно к мысли о прерывистой сущности света, снова намекал на его дробность.

В этих опытах по взаимодействию света и вещества была одна многозначительная тонкость: вероятность вылета электрона зависела не от силы света, а от его цвета. Более того, если цвет приближался к красному концу спектра, наступал момент, когда электроны не вылетали из металла вовсе — как ни увеличивали экспериментаторы интенсивность облучения.

Учёные в недоумении разводили руками — сильный красный свет ничего не мог поделать с электронами, тогда как фиолетовый, даже совсем слабенький, легко и непринуждённо вылущивал из тела металла электрон за электроном! Учёные ещё просто не осознали, что кван ты света, расположенного ближе к фиолетовому концу солнечного спектра, имеют большую энергию, чем кванты красного, розового и других более «тёплых» световых лучей.

Им надо было решить сразу две загадки: почему фотоэффект зависит от цвета облучающего вещество света и как свет, если он волна, взаимодействует с каждым электроном по отдельности?

Явление фотоэффекта не поддавалось разумному объяснению, если упорно стоять на одной позиции: считать свет волнами. Так могло быть только при двух условиях. Первое — если бомбардировка металла производится «пулями» света — тогда каждая «пуля» может взаимодействовать с электроном один на один. Второе условие — если световые «пули» обладают разной энергией. И этой энергии должно хватить для вырывания электрона. То есть энергия «пули» должна соответствовать или быть больше энергии, с которой электрон удерживается в теле металла.

Так обстоятельства вынудили физиков пойти на компромисс: признать, что волна света (хотя бы перед тем, как ударить в металл) дробится на отдельные цветные «пули». И каждая «пуля» выбирает себе жертву по «зубам», вернее, по цвету.

Это был только подступ к истине. Истину понял лишь Эйнштейн. Он предположил, что свет вовсе не дробится на отдельные порции перед тем, как упасть на металл, а существует в такой форме. Это его естественное состояние, его природа. С самого момента излучения, то есть рождения, он представляет собой отдельные порции электромагнитной энергии — кванты света, или фотоны, как их теперь называют по предложению Комптона.

Эйнштейна не смущало, что на основе фотонов, так же как при помощи ньютоновых корпускул, невозможно объяснить сразу все оптические явления: и огибание светом препятствий, и радужные круги в тонких плёнках разлитой нефти, и существование предельного увеличения микроскопа, и много других фактов, естественно вытекающих из волновой теории. Зато принятие квантовой структуры света аннулировало ультрафиолетовую катастрофу, нелепости фотоэффекта и ряд других парадоксов более глобального характера.

Итак, в обиход науки вошёл квант света, элементарная частица света. Но трудности в понимании природы света, его взаимоотношений и связи с материей не иссякали.

Начиная с 1706 года, вслед за малоизвестным Френсисом Хоксби, физики продолжали изучать красивое свечение, возникавшее при прохождении электрических разрядов через разреженные газы. Уильям Крукс в последней четверти минувшего века довёл эти исследования до такой полноты, что не сомневаясь утверждал: свечение вызывается движением частиц. Но каких? Ведь в сосудах не было других частиц, кроме молекул газа… Тут была тайна, более глубокая, чем могло показаться с первого взгляда.

Большинство учёных в то время склонялось к волновой теории этого свечения. Некоторые видели в нём новый вид излучения, поэтому за ним укрепилось наименование катодных лучей…

Крукс был ближе всех к истине. Но не понял её до конца.

Прошло почти два столетия после первого опыта Хоксби, когда его начинание привело к результатам, о которых он не помышлял и которые, наверное, ошеломили бы его. Оказалось, что, пропуская электрический разряд через газ, он, не подозревая об этом, получал электроны!

В 1895 году в Париже Жан Перрен, проводя опыты с катодными лучами, поставил на их пути магнит, и эти лучи отклонились так, как если бы они состояли из частиц, несущих отрицательный заряд. Контрольные опыты показали, что катодные лучи вовсе не нейтральные молекулы, о которых писал Крукс, а гораздо более лёгкие частицы, заряженные отрицательно.

Обычно считают, что именно опыт Перрена привёл к рождению электроники, хотя термин «электрон», предложенный за четыре года до того, не был связан с этим опытом. Джозеф Джон Томсон через два года определил для частиц, участвовавших в опыте Перрена, отношение их заряда к массе, а затем и величину этого заряда. Так впервые были измерены характеристики индивидуальной элементарной частицы. Конечно, не её имели в виду древние атомисты, не о ней говорил Фарадей, заключивший из опытов по электролизу о существовании в жидкостях заряженных частиц. Не эти частицы участвовали в явлениях, наблюдаемых при разнообразных опытах с газами и жидкостями. Электрон раскрыл людям глаза на то, что атомы, считавшиеся издревле самой малой частицей материи, сами имеют сложную структуру. Теперь электрон был признан мельчайшим кирпичом мироздания, получив титул первочастицы.

Так на рубеже XX века неделимые атомы греческих философов окончательно сошли со сцены, уступив место не новым атомам, а новым гипотетическим неделимым элементарным частицам, из которых состоят все атомы химических элементов.

И тут учёные вспомнили об одной отвергнутой, забытой гипотезе. Еще в 1815 году некто Праут на основании законов Гей-Люссака и своих измерений установил теперь всем очевидный, а для того времени почти мистический факт: атомные веса многих химических элементов кратны весу атома водорода… Элементы разные, свойства разные, а атомные веса почему-то связаны между собой….

В следующем году Праут высказал такую крамольную мысль, что о ней постарались забыть: атомы всех элементов — родичи, они все образованы посредством объединения атомов водорода.

Измерения Берцелиуса и других химиков показали, что это похоже на правду, только точная кратность атомных весов химических элементов почему-то не соблюдается. Это было непонятно: под рукой не было ни опытов, ни гипотез, могущих прояснить вопрос; начало XIX века изобиловало открытиями, и работы Праута потонули в море вопросов, не имеющих ответа.

Лишь открытие в 1868 году Менделеевым Периодического закона химических элементов возродило интерес к гипотезе Праута. Менделеев доказательно установил, что химические свойства элементов и многие их физические свойства находятся в периодической зависимости от их атомных весов. Отклонения же от точной кратности оставались непонятным фактом. Но это не могло подорвать убеждения в справедливости открытия Менделеева. Оставалось надеяться, что будущая теория всё разъяснит.

Учёные вступили на нехоженую тропу познания сложной структуры атомов и молекул. Трудно сказать, как долго их поиски продолжали бы оставаться бесплодными, не натолкнись они на явление радиоактивности — самопроизвольного превращения одних веществ в другие. Понимание законов этого процесса привело к новой точке зрения на химические свойства вещества, продемонстрировало механизм процесса, развивающегося внутри атомов.

Первый шаг здесь был сделан сотрудником Резерфорда Фредериком Содди. Он угадал причину неудач многих выдающихся химиков, пытавшихся выделить в чистом виде радиоактивные элементы. Содди объявил, что этого нельзя достичь химическими методами — могут существовать радиоактивные элементы, занимающие одну общую клетку в таблице Менделеева и химически неразличимые, но тем не менее имеющие различные физические свойства. В том числе различный атомный вес. И то, что исследователь принимает за один элемент, может быть на самом деле смесью радиоактивных разновидностей этого элемента. Естественно, что среднее значение атомного веса смеси чаще всего не может быть целым числом. Такие неотличимые по химическим свойствам элементы получили наименование изотопов.

Несколько десятилетий Резерфорд и Содди потратили на то, чтобы понять внутриатомный характер радиоактивных превращений и убедить мир в истинности своих выводов. Они писали: «…радиоактивность — это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества… Радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомно го химического процесса!»

Нужно было очень верить в своё открытие, чтобы защищать теорию превращения элементов в самый разгар триумфа атомистики, когда большинство ещё верило в неделимость атома.

Содди умер лишь двадцать с лишним лет назад, он смог увидеть ещё при жизни, как плодотворна была его догадка.

Вскоре Томсон распространил идею изотопов на нерадиоактивный неон, атомный вес которого 20,2. Изучая движение атомов в вакууме и действуя на них одновременно электрическим и магнитным полем, Томсон разделил их на два сорта. Большая часть атомов неона имела атомный вес 20, а меньшая — 22. Томсон поручил разобраться в этом вопросе своему ассистенту Астону. Тот включился в работу, у него появились свежие идеи, но Первая мировая война прервала исследования — Астона призвали в армию.

Астон всё-таки успел внести в науку важный вклад. Он усовершенствовал электромагнитный метод разделения изотопов Томсона и создал замечательный по точности прибор, который назвал масспектрографом. Прибор сразу показал, что хлор с его нецелым атомным весом состоит из двух сортов атомов-изотопов: с массами 35 и 37. Число естественных нерадиоактивных изотопов быстро увеличивалось. Укреплялась вера в гипотезу Праута, ибо для первых тридцати элементов таблицы Менделеева целочисленные значения массы изотопов выдерживались с точностью до одной тысячной.

Исключение составлял только водород, для которого вместо единицы получалось 1,008 (если атомный вес кислорода принять в точности за 16)! Не веря себе, учёные продолжали измерять атомные веса, добиваясь всё большей точности.

Постепенно выяснилось, что для более тяжёлых элементов отклонение от целочисленности нарастает. Это невозможно было понять. Казалось бы, атомный вес тяжёлого элемента, составленного из нескольких водородных атомов, должен быть равен сумме их атомных весов. Но он всегда оказывался мень ше. Получалось, что масса нескольких, например десяти, свободных ядер водорода больше тех же десяти ядер водорода, слепившихся в ядро другого элемента. Почему?!

Астон, пытаясь ответить на этот вопрос, нащупал причину поразительного явления, о котором догадался Эйнштейн и которое не обнаружил ещё ни один эксперимент. Речь идет об удивительном выводе теории относительности: эквивалентности энергии и вещества.

После открытия Максвеллом законов электромагнитного поля выявилась иная, чем думали раньше, плоть мироздания. Не атомы и пустота, как считали древние атомисты; не сплошная материя, как хотелось верить Аристотелю. Плоть мира — это электромагнитное поле и вещество. Вот фундамент, на котором предстояло возводить новое здание мира. Надо было найти связь между этим полем — электромагнитным полем, включающим в себя свет, магнитные и электрические поля, — и веществом, мельчайшим зерном которого уже был признан электрон.

Первый шаг в объединении поля и вещества после Максвелла сделал голландец Лоренц. Он создал электронную теорию вещества. Он угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы вещества и одновременно элементарные частицы электричества (кванты вещества и электричества одновременно). Сочетание электронов с электромагнитным полем образует всё многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение электронов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение электронов.

Если электроны, частицы материи, являются одновременно и частицами поля, размышлял Эйнштейн, то что вынуждает нас фундаментом мира считать две ипостаси: поле и вещество? Не более ли логично опереться на одну реалию: поле? И самый мудрый из физиков мечтал охва тить все явления Вселенной теорией единого поля, включающего и электромагнитные волны, и гравитационные, и ядерные, и все известные и ещё неизвестные людям поля. Ему это не удалось, но он верил в целесообразность такой модели мира, чувствовал её исчерпывающую полноту — и кто знает, может быть, ещё при нашей жизни физика подтвердит эту концепцию…

Эйнштейн оставил нам теорию относительности — ключ к пониманию взаимоотношений поля и вещества. Эта теория помогает найти качественную и количественную меру взаимоотношений этих двух субстанций. И одна из мер — общий закон сохранения энергии и вещества, закон их эквивалентности.

Эйнштейн нашёл такие удивительные проявления закона эквивалентности массы и энергии (в мире больших скоростей и энергий), столь парадоксальные, не наблюдаемые в повседневной жизни, что физикам это казалось курьёзом, не заслуживающим внимания. Например, из теории относительности следовало, что масса движущегося тела больше его же массы в покое; масса нагретого тела больше массы холодного, частицы которого движутся медленнее. Разность, предсказываемая теорией, была столь мала, что казалось невозможным её обнаружить. И мысль о том, что одно и то же тело может иметь разную массу, считалась многими бредом.

И вот Астону посчастливилось натолкнуться на одно из проявлений этого парадоксального предсказания. В том, что ядро тяжёлого элемента, составленное из нескольких ядер водорода, имело иной вес, чем простая сумма весов тех же ядер водорода, но свободных, не связанных между собой, Астон увидел намёк на эйнштейновское утверждение.

В 1920 году он объявил, что при объединении протонов в более тяжёлые ядра результирующее ядро должно быть легче за счёт «эффекта упаковки». Это было прямое следствие положения Эйнштейна об эквивалентности вещества и энергии. И действительно, чтобы разрушить образовавшееся тяжёлое ядро и освободить протоны, потребовалось именно то количество энергии, которое соответствовало разности массы ядра и суммарной массы его осколков. Величина «дефекта массы» в точности определялась формулой Эйнштейна…

Итак, учёные, пытаясь ответить на «проклятый» вопрос о взаимоотношениях энергии и вещества, продвинулись ещё дальше в глубь атома, в его ядро.

Перед ними стояли фундаментальные проблемы. «Мы знаем, — писал Эйнштейн, — что всё вещество состоит из частиц немногих видов. Как различные формы вещества построены из этих частиц? Как эти элементарные частицы взаимодействуют с полем?»

Прежняя, классическая физика, не ведавшая о зернистой, квантовой структуре вещества и поля, не могла дать ответ.

Ответ могли принести только новые идеи, новые эксперименты.

Впрочем, мы забежали вперёд. Прослеживая торжественный марш новых идей, мы не должны забывать, что продвижение это носило драматический характер. Учёные разрушали многовековое представление об элементарности атома, цепляясь за старые истины, стремясь сохранить саму идею существования простейших, элементарнейших «прачастиц».

Томсон, определивший заряд и массу электрона, предположил, что именно электроны и есть эти «прачастицы», что из них возникают все атомы, если их объединяет между собой некая сила. В первом варианте этой гипотезы роль связующей силы играла магнитная сила. Но огромная — тысячекратная! — разница масс электрона и атома водорода делала такую гипотезу чрезмерно сложной.

Во второй гипотезе Томсон обращается к электростатической силе, считая, что пространство, в котором собраны электроны, образующие атом, способно действовать так, как если бы оно имело положительный заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов.

Неясность этой гипотезы составляет её основное достоинство — её трудно опровергнуть. Но она не позволяет понять, как устроен атом.

Томсон и другие учёные стремились уточнить эту модель и получили много интересных результатов. Предлагали ещё ряд моделей, но и они, как этого следовало ожидать от любого построения, основанного на гипотезах, не выдерживали проверки опытом. Всё это были симптомы глубокого кризиса физики начала прошлого века.

Трагедия одного из величайших физиков — Больцмана — показывает, как сложно обстояли дела в мире физики. Больцман покончил с собой. Он отчаялся в своей борьбе за материалистическое понимание явлений природы.

Решающий шаг внутрь атома сделал Резерфорд. Он обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и… поразился! Наблюдения за дальнейшим поведением альфа-частиц заставили его сделать однозначный вывод: «Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре, а компенсирующий отрицательный заряд распределён в сфере с радиусом, сравнимым с радиусом атома».

Расчёты показали, что радиус ядра сравним с величиной, принятой тогда для радиуса электрона, а радиус атома превосходит его примерно в сто тысяч раз и составляет около стомиллионной доли сантиметра.

Так возникла планетарная модель атома: малое тяжёлое положительное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Количество электронов таково, что их суммарный заряд компенсирует положительный заряд ядра.

Заряд ядра соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Химические свойства элемента определяются числом и взаимным расположением электронов.

Человеческое мышление склонно к аналогиям. Было ес тественно предположить, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Это выглядело весьма правдоподобно и просто: большое повторяется в малом.

Всё было хорошо в этой модели. Она могла непротиворечиво объяснить многие явления, но… не могла существовать! Физики сразу заметили неблагополучие в такой привлекательной картине. Солнце и планеты электрически нейтральны, а ядра атомов и электроны — это тела заряженные. И их взаимоотношения совсем иные. Следуя законам электродинамики, отрицательно заряженные электроны, вращаясь вокруг положительного ядра, должны постепенно потерять свою энергию и упасть на него. Но такого явления никто никогда не наблюдал. Если бы электроны атомов вдруг начали падать на ядра, настал бы конец света!

Итак, напрашивался единственный вывод: либо неверны законы электродинамики, либо атомы устроены иначе.

Правильность законов электродинамики не вызывала сомнений. Её подтверждала работа электрических двигателей и генераторов, действие радиотелеграфа, поведение стрелки компаса и многое другое. Кризис физики всё обострялся… Однако развитие науки шло по пути диалектического преодоления внутренних противоречий.

Выход из тупика указал в 1913 году Бор. Его объяснение повергло физиков в недоумение.

Представьте себе реакцию человека, которому сообщили сенсационную новость: в Азии совсем иные законы природы, чем в Европе. В Азии в отличие от Европы деревья растут вверх корнями…

Нечто похожее произошло в среде физиков, когда молодой датский учёный Нильс Бор высказал свою догадку: в микромире не применимы законы макромира. В атоме — другие законы природы, чем вне его. Если в свободном пространстве заряженное тело при движении по окружности теряет энергию, то внутри атома этого не происходит.

Бор утверждал, что электроны в атоме не подчиняются классической электродинамике: могут вращаться на опре делённых стационарных орбитах, не излучая энергии. Излучение происходит только при переходах электронов с одной из стационарных орбит на другую — более близкую к ядру. Тут электрон выстреливает порцию энергии — квант.

Бор на этом не остановился. Он сообразил, что величина излученной электроном энергии пропорциональна расстоянию между орбитами! (Сказанное нельзя понимать буквально: речь идёт не столько о расстоянии между орбитами в пространстве, сколько о различии энергий электрона на этих орбитах. — Прим. В.Г. Сурдина)

Если электрон перелетит недалеко, скажем, на соседнюю орбиту, он излучит маленький квант — красного цвета. А если перескочит на более дальнюю орбиту, то успеет излучить квант побольше — голубого или даже фиолетового цвета.

Бор своим предположением убил сразу двух зайцев: объяснил устойчивость атома и понял секрет цветных линий в спектрах излучения разных веществ.

Так, прибегнув к квантовой теории, он связал свою модель атома с опытными данными, полученными при помощи спектрального анализа. Поняв, почему в спектре каждого атома множество разноцветных линий — они иллюстрируют способность атома излучать кванты тех или иных цветов, — он сумел раскрыть и секрет строения атома, узнать схему расположения орбит, их возможное количество, расстояния между ними и многое другое.

Этот момент очень важен для истории науки.

Веками имея дело со сравнительно большими телами, люди привыкли считать, что энергию можно делить на произвольные порции. Когда оказалось, что в микромире это невозможно, что в атомных масштабах энергия способна существовать только как совокупность определённых порций — квантов — и что величину квантов надо определять с помощью новых, не известных ещё законов, многие физики от этого просто поначалу отмахнулись. Но когда датский фантазёр догадался, что квантовые законы обуславливают устойчивость атома — это, конечно же, не могло не изменить умонастроение даже отъявленных скептиков. Квантовые законы спасают мир от ультрафиолетовой катастрофы, делают атомы надёжнее крепостных стен — это было уже очень серьёзно. И внимание учёных в первой четверти прошлого столетия обращено на Копенгаген, где на большом творческом подъёме Бор и его единомышленники — молодые учёные разных национальностей — пересматривали старые истины и искали новые.

Психологически это был трудный поворот. Учёные, не успев привыкнуть к тому, что вместо непрерывных процессов, подчиняющихся законам классической физики, в природе царствует дискретность, прерывистость, должны были начинать новую жизнь: привыкать к мысли, что в микромире уже нельзя пользоваться формулами классической физики. Нужно выявлять квантовые законы и применять их для исследования микромира.

Недоумение, с которым встретили физики выход из тупика, указанный Бором, перешло в триумфальное шествие, когда Бор, а за ним теоретики Вильсон и Зоммерфельд начали на основе модели Бора рассчитывать спектры атома водорода. Модель позволяла наглядно представить и возникновение Периодического закона, открытого Менделеевым. Однако восторг сменился разочарованием, когда выяснились некоторые тонкие расхождения между расчётными величинами и наблюдаемыми спектрами водорода, а затем оказалось, что модель не позволяет рассчитать спектры более сложных атомов, даже второго по сложности атома — гелия. Возникла горькая поговорка: «Атом Бора это не атом бора, а атом водорода».

Так трагической неудачей закончился период величайших успехов физики начала прошлого века.

Тогда существовала надежда, что удастся построить наглядную и непротиворечивую картину мира, основанную на трёх простейших элементах: протонах — ядрах атома водорода, из которых образуются все ядра, электронах — ответственных за все электрические и химические явления, и фотонах — объясняющих все оптические явления и их связь со строением атома. Все эти надежды рухнули.

После перерыва, вызванного Первой мировой войной, физики вновь принялись за работу. Впрочем, физики старшего поколения, не призванные в армию, и в эти годы продолжали искать порванные нити старых и новых теорий.

В эти годы Эйнштейн трудился над обобщением теории относительности, желая найти в ней место для неравномерных движений, например для падения тел в поле тяготения и для вращательных движений. В 1916 году он достиг решающих успехов, опубликовав ряд работ, развивавших общую теорию относительности и позволявших охватить едиными формулами простые движения, поле тяготения и центробежные силы. Этим Эйнштейн заложил основу несбывшейся мечты всей его дальнейшей жизни — мечты о единой теории, описывающей все известные и ещё не открытые поля.

Одновременно Эйнштейн стремился понять, как можно примирить существование фотонов (частиц света) с такими явлениями, как дифракция и интерференция, свидетельствующими о том, что свет обладает несомненными волновыми свойствами.

Эйнштейна тревожило и то, что отсутствовала связь между механизмом взаимодействия энергии с веществом, понятого Планком (формулой Планка, освободившей науку от призрака ультрафиолетовой катастрофы), и боровской моделью атома, получавшей всё большее экспериментальное подтверждение. Нужно было как-то соединить эти две половины одной медали. Ведь то, что происходит внутри атома и вокруг него, несомненно, части одной картины.

Это оказалось непростым делом.

Эйнштейн нашёл выход. Он использовал и объединил далёкие в то время области — радиоактивность и теорию спектров.

Исследование радиоактивности выявило ситуацию, которую невозможно предсказать. Принудило признать наличие в природе непредсказуемых явлений: в частности, индивидуального акта радиоактивного распада. Заставило смириться с тем, что природа разрешает предугадать лишь то, какая доля атомов из данного количества распадётся за определённое время, но не позволяет узнать, когда именно это случится с тем или иным из них.

Среди законов природы есть закон случая. И когда учёные говорят о вероятностных явлениях, они имеют в виду те, что происходят по закону случая. Радиоактивный распад иллюстрирует именно непредсказуемые процессы.

Конечно, такая ситуация вызывала известное неудовольствие. Но что было делать, с этим приходилось мириться. Учёные, возможно, утешали себя примером Ньютона: тот тоже мирился с незнанием природы сил тяготения, удовлетворившись тем, что установил результат действия этих сил и сумел найти им количественную оценку.

А кроме того, нельзя сказать, что вероятностные законы оказались такой уж новостью. Они явились неожиданностью лишь в отношении атомов и элементарных частиц. В мире больших тел, в привычном нам мире не только учёные, но каждый из нас не раз сталкивался с законами случая.

Осень. Облетают листья. Совершенно очевидно, что почти все они упадут на землю. Но ни одна теория не предскажет, куда упадёт каждый лист. Можно лишь с определённой вероятностью утверждать, что листья будут располагаться в основном вокруг дерева. Большая их масса — под кроной. Часть отлетит в сторону. Какое-то количество будет унесено ветром.

Тут действует закон случая — «закон опадающих листьев»…

Эйнштейн смело использовал этот закон в применении к микромиру. Он провёл аналогию между вероятностью радиоактивного распада и вероятностью рождения фотонов при перескоке электронов внутри атома с орбиты на орбиту.

По мнению Эйнштейна, акты излучения и поглощения фотонов тоже подчиняются «закону опадающих листьев» — вероятностным законам. Эти законы относятся к поведению совокупности тел: листьев, атомов. Для большого скопления тел эти законы дают точную формулу поведения. Но о каждом из них в отдельности умалчивают. Для отдельного атома, как и для отдельного осеннего листа, за коны природы разрешают определить лишь вероятность того или иного события. Излучит атом фотон или поглотит — дело случая. Можно только подсчитать вероятность этого для данного отрезка времени.

Наверно, нечто подобное происходит при наступлении атакующей армии: можно определить, сколько снарядов и пуль выпустила в неприятеля эта армия, но невозможно установить, какой солдат или орудие и когда выпустило ту или иную пулю.

Вывод: нет и не может быть жёсткой связи между моментом рождения квантов внутри «атома Бора» при перескоке электронов с одной орбиты на другую и формулой Планка, рисующей поведение этих квантов — потока излучения из вещества — уже вне атома.

Это обескураживало физиков. Жизнь вносила в строгую, привычную к точности физику неопределённость, граничащую с произволом. Пока учёные видели лишь то, что вновь открытые ими квантовые законы запрещают, не видя ещё того, что они разрешают.

Об этом догадался опять-таки Эйнштейн. В его работе, опубликованной в 1917 году, был один нюанс, роль которого выяснилась много позже. Эйнштейн заподозрил возможность управлять излучением атомов. Он указал на то, что атом может излучать не только под влиянием непознанных ещё внутренних причин, но и в результате воздействия внешнего электромагнитного поля. Это был намёк на сенсационные возможности для техники будущего.

Важность этого замечания и его глубокий смысл долго ускользали от большинства учёных. Лишь незадолго до Великой Отечественной войны молодой преподаватель Московского энергетического института Фабрикант увидел в теории Эйнштейна возможность создать усилители света, работающие за счёт внутренней энергии атомов и молекул. Много позже, в 1954 году учёные следующего поколения Басов и Прохоров в Москве и независимо от них Таунс в Нью-Йорке, не зная о предложении Фабриканта, создали молекулярный генератор радиоволн, основанный, по суще ству, на той же работе Эйнштейна. Конечно, для создания этого прибора им пришлось учесть сложные закономерности из области радиофизики и молекулярной физики. Они вступили в интереснейшую область познания, давшую человечеству мазеры и лазеры, которые в свою очередь открыли широкие пути познания природы и развития технологии. Но об этом речь впереди.

Пока же мы должны понять, как постигали учёные давнюю дилемму «волна — частица».

Итак, Эйнштейн, уверовав в квантовую сущность природы, ещё дальше отошёл от волновой теории света. Остальные же учёные старшего поколения продолжали бить тревогу, указывать на то, что теория фотонов не способна объяснить те оптические явления, которые непринуждённо вытекают из волновых представлений. Эти учёные соглашались с фотонами лишь при одном условии: если фотоны представляют собой не физическую реальность, а только приём, облегчающий расчёты.

Впрочем, уже никто не считал эйнштейновские фотоны возвратом к прежним неделимым. Ведь фотоны появлялись в актах испускания и исчезали в актах поглощения, в то время как прежние частицы, например корпускулы Ньютона, считались вечными и неизменными.

Вскоре молодой американец Комптон, «крёстный отец» фотона, доказал, что фотоны могут не только рождаться и исчезать, но и видоизменяться. Он наблюдал воочию, как при столкновении с электроном фотон изменяет и свою энергию, и направление полёта. Конечно, можно сказать и так: при столкновении с электроном один фотон исчезает, а совсем другой рождается. Здесь различаются лишь слова. Суть состоит в том, что Комптон обнаружил доказательства реального существования индивидуальных фотонов.

Все попытки объяснить наблюдения Комптона при помощи волновой теории оканчивались неудачей.

Так, оптические явления всё более чётко располагались как бы в две группы. В одну входят те явления, которые непринуждённо объясняются на основании волновой теории и остаются необъяснимыми при помощи фотонов, во вторую — те, что не поддаются волновому описанию и с лёгкостью вытекают из представления о фотонах.

Известный исследователь рентгеновских лучей, лауреат Нобелевской премии Брэгг описал ситуацию так: каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пятницам (занимаясь фотоэффектом и эффектом Комптона) считать свет частицами, а по вторникам и четвергам (изучая дифракцию и интерференцию) считать его волнами.

Вскоре это анекдотичное, а в сущности, неблагополучное положение распространилось в атомную физику.

Физиков беспокоило не только то, что модель атома Бора не позволяет объяснить спектры подавляющего большинства атомов — не даёт возможности понять, почему и когда атом излучает те или иные кванты энергии. Само существование стационарных орбит электронов в атоме оставалось необъяснённым. Почему электроны могут вращаться вокруг ядра на определённых расстояниях от него? Почему им нельзя вращаться на других расстояниях? Особенно многозначительным казалось то, что расстояния орбит от центра ядра кратны определённым числам, то есть тут явно не было случайности — тут сказывался жёсткий закон. Но какой?!

Первый подход к этой загадке нашёл совсем молодой французский физик Луи де Бройль. Он представил себе, что электроны в атоме — словно ноты на нотных строчках.

Расстояния между строчками указывают, что изменения частот звучания при переходе со строчки на строчку описываются определёнными дробными числами. Так же, как дробные числа, относятся между собой и радиусы орбит в атоме, на которых вращаются электроны.

И де Бройль представил себе, что электрон, словно некое умозрительное подобие звучащей ноты, тоже связан со своей волной. Что ему «уютно» только на такой орбите строчке, где укладывается целое число его волн. И если ему суждено перескочить на другую орбиту, то он «выберет» такую, где тоже уложится целое число волн. Так у каждого вещества образуется свой набор «нотных строчек», орбит. Это словно паспорт, по которому можно определить, какие кванты способны рождать электроны, перескакивающие с орбиты на орбиту в атоме данного элемента или вещества.

Так де Бройль связал между собой модель атома, придуманную Бором, механизм поведения в нём электронов с тем, что наблюдали исследователи при изучении фотоэффекта — связь цвета облучающего металл света с энергией выбиваемых из металла электронов. Всё это французский физик уяснил, размышляя о причинах, которые могли привести к появлению простых целочисленных значений при расчётах орбит электронов в атоме водорода.

Так он понял и секрет связи между частотой и энергией фотона — она уже не выглядела случайной. Физики убедились, что если на примере фотонов эти соотношения выявляют глубокую скрытую связь между корпускулярными и волновыми свойствами света, то на примере с электроном подобная связь существует между корпускулярными и волновыми свойствами материи.

Простая мысль привела к грандиозным следствиям… Теперь не только частица света (фотон) была связана со световой волной, но и электрон (частица материи) также оказался «в паре» с особой волной. Это приобретало уже философский смысл. Выявляло связь между веществом и энергией. И открывало новую страницу в понимании фундаментальных принципов природы.

Расчёт, проведённый де Бройлем, дал точное совпадение с боровскими орбитами. Более того: де Бройль показал в общих чертах, что его подход может позволить совместить теорию фотонов с явлениями дифракции и интерференции. То есть его предположение удовлетворяло и тех, кто считал свет частицами, и тех, кто определял его как волну. Между этими теориями оказался посредник — электрон, который раньше числился только частицей, а теперь, с лёгкой руки де Бройля, обзавёлся волновыми свойствами. Путь для слияния корпускулярной и волновой теорий света был найден.

Результаты де Бройля ошеломили учёных. Эйнштейн, всегда со вниманием относившийся к работам молодых, писал известному теоретику Борну о диссертации де Бройля:

«Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно».

Вскоре сверстник де Бройля, недавно скончавшийся Гейзенберг, разработал метод расчёта, позволивший ему, исходя из абстрактных математических принципов и не прибегая к гипотезе «частицы — волны», прийти ко всем результатам, полученным де Бройлем.

При этом он руководствовался оригинальным подходом к построению физических теорий. Он считал, что теория должна вытекать из опыта, описывать и предсказывать его результаты, но промежуточные этапы математических выкладок могут не иметь ничего общего с опытом. Что сказал бы на это Ньютон, все великие достижения которого опирались на опыт и только на опыт!

Самое трудное в этом методе — определить, на какой стадии вычислений получается то, что описывает реальность. Здесь на помощь приходит лишь интуиция и в то время ещё не ясный принцип соответствия, предложенный Бором. Суть этого принципа состояла в том, что законы классической физики должны вытекать из законов квантовой физики в тех случаях, когда квантовыми скачками можно пренебречь, когда явление из микрорамок переходит в макрообласть.

Эйнштейн протестовал против такого «рецептурного» пути в науке, когда для нахождения результата недостаточно учёта наглядных закономерностей и методов, а нужны ещё какие-то необъяснимые критерии. Он считал, что «всякая физическая теория должна быть такой, чтобы ее, помимо всяких расчётов, можно было проиллюстрировать с помощью простейших образов, чтобы даже ребёнок мог её понять».

Прошёл всего год, и важное, новое слово сказал третий молодой гений — Шредингер. Он показал, что между подходами де Бройля и Гейзенберга существует глубокая связь. Он написал знаменитое уравнение, носящее теперь его имя. С помощью этого уравнения можно было рассчитывать волновые процессы де Бройля, не прибегая к рецептурной математике Гейзенберга.

Результаты Шредингера произвели огромное впечатление. Это была настоящая, большая сенсация. Физикам казалось почти чудом, что результаты, получаемые абстрактными, основанными на применении малоизвестной за пределами узкого круга математиков теории матриц (так называется метод Гейзенберга), совпадают с результатами волновой механики (метод де Бройля), оперирующей совершенно иными и более доступными математическими средствами.

Успехи новой квантовой механики, которую некоторые предпочитали называть волновой механикой, омрачались глубокой, скрытой в ней принципиальной трудностью. Она переносила на частицы вещества — электроны и протоны — все противоречия и неясности, которые вновь ввела в оптику теория фотонов.

Теперь электроны и протоны, эти несомненно реальные корпускулы, оказались обладателями каких-то скрытых от непосредственного наблюдения волновых свойств. Свойств, проявляющихся в атомных спектрах, когда электрон выступает не как свободная частица, а как часть атомной системы.

Разумеется, если учёные хотели быть последовательными в этом утверждении, им нужно было продемонстрировать очевидный всем процесс, где проявляются эти волновые свойства частиц. Им необходимо было допустить, например, что поток электронов, проходя, через отверстие, должен обнаружить яв ление дифракции — такое же, как, скажем, у потока фотонов. Об этом, кстати, и говорил де Бройль, ожидая опытного подтверждения теории. Об этом же говорили и скептики, но как о парадоксе, которому суждено опровергнуть волновую механику.

Опыт наконец сказал своё слово. В Нью-Йорке — Девиссон и Джермер, в Абердине — Томсон и Рид, в Москве — Тартаковский независимо обнаружили дифракцию электронов при их прохождении через кристаллы или тонкие металлические фольги. Электроны вели себя, как волны света, морские волны, как любые традиционные объекты природы, обладающие волновыми свойствами! Но каждый электрон при этом оставался частицей…

Так был продемонстрирован дуализм электронов, вернее, дуализм их волновых и корпускулярных свойств. Впоследствии этот дуализм захватил в свою сферу протоны, а затем и все вновь открываемые частицы.

Очередной триумф теории одновременно расширил и углубил трещины в науке о материи, выявил неудовлетворительное состояние глубинных основ познания природы вещества.

Вопрос «волны или частицы?» требовал ответа.

После первых успехов и первых восторгов, как это часто бывает, наступило отрезвление. Опыт показал, что во многих случаях теория расходится с экспериментом, и не только малыми численными различиями. Например, иногда в спектрах атомов наблюдались линии, не предусмотренные теорией, и среди наблюдаемых линий отсутствовали предсказанные теорией.

Вскоре и эта загадка была решена. Ответ нашёл английский физик Дирак, один из тех «сердитых» молодых людей, которых не удовлетворяла классическая физика. Он утверждал, что причиной неудач является то, что ни де Бройль, ни Гейзенберг, ни Шредингер в своих теориях не учли теории относительности. Что же касается последующих попыток ввести в теорию соответствующие поправки — они были некорректными…

Дирак написал новые уравнения, объединившие принцип квантования и теорию относительности. Они оказались ещё более абстрактными и необычными, чем все предыдущие. Но их решения получались гораздо более близкими к реальности. В частности, из уравнений Дирака автоматически вытекал ответ на вопрос, волновавший физиков в течение трёх лет, предшествовавших работам Дирака.

Никто не мог понять, почему в спектрах некоторых веществ наблюдаются не только одиночные линии, но и двойные, вернее сдвоенные.

Два молодых физика Уленбек и Гаудсмит — это было в 1925 году — решились на авантюрный шаг. Они рискнули приписать электрону помимо заряда и массы ещё одно свойство — уподобили его вращающемуся шарику. Только в этом случае можно с лёгкостью объяснить необъяснимые квантовой теорией двойные спектральные линии. В соответствии с этой гипотезой, электрон ведёт себя как миниатюрный волчок. Его ось, подобно оси любого волчка, стремится сохранить своё направление, а вращательное движение его заряда приводит к появлению собственного магнитного поля электрона. Новое свойство получило наименование «спин» (от английского слова «вращаться»). Гипотеза спина хорошо объясняла непонятные до того особенности спектров, но казалась в высшей степени искусственной, ибо все попытки связать между собой известные характеристики электрона с моделью вращающегося шарика приводили к противоречивым и очевидным нелепостям.

Теория Дирака объясняла магнитные и механические характеристики электрона, не прибегая ни к каким моделям. И эти характеристики были в полном соответствии с опытом. Теория Дирака тоже исходила из предположения, что электрон обладает тремя равноправными свойствами — массой, зарядом и спином, но теперь не нужно было пытаться связать их между собой гипотезой о вращающемся шарике.

Наряду с блестящим решением загадки спина и преодолением многих расхождений первых вариантов квантовой теории с опытом теория Дирака привела к одному парадоксальному ре зультату, противоречившему всему, к чему привыкли физики.

Уравнения говорили о том, что электрон может находиться в состояниях с отрицательной энергией…

Явление, совершенно неслыханное: чтобы электрон начал двигаться, у него нужно отнять энергию. Чтобы привести его в состояние покоя — нужно придать ему энергию!

Эти выводы вызвали длительные споры. Споры не о том, верна ли теория, ибо во всех других случаях за неё был опыт, а о том, как понимать, как объяснить это её удивительное предсказание.

Состояние общей растерянности ещё более усугубилось, когда Дирак предложил выход, не менее парадоксальный, чем парадокс, который следовало объяснить. Он предположил, что его первоначальное толкование результата теории ошибочно, что теория не приводит к отрицательной энергии электрона, а предсказывает существование новой частицы, во всех отношениях тождественной электрону, но имеющей не отрицательный, а положительный заряд.

Физики скептически отнеслись к этой идее. Для них было достаточно известных элементарных частиц — электрона, протона и фотона, из которых так просто складывался весь мир.

Неопределённость господствовала ещё четыре года. Теория справлялась со всеми более сложными задачами, предсказывала новые эффекты, которые вскоре подтверждались опытами, а загадка отрицательной энергии и положительного электрона продолжала смущать тех, кто стремился к ясности и непротиворечивости.

В 1932 году Андерсон, а затем Блекнет и Оккиалини обнаружили при наблюдении космических лучей следы частиц, которые не поддавались объяснению, если не признать их следами положительных электронов. Впоследствии положительные электроны — позитроны — были получены и в искусственных ядерных реакциях.

По значению и по психологическому воздействию триумф теории, предсказавшей в то время существование новой элементарной частицы, можно сравнить лишь с открытием неизве стной ранее планеты Нептун. Теперь мы привыкли к открытию всё более и более удивительных микрочастиц, к предсказанию их свойств, которые затем подтверждаются опытом, и эти сенсации называем просто завершением очередной научной темы.

Наряду с триумфами квантовая теория продолжала встречаться с трудностями. Нерешённый вопрос — волны или частицы? — обращённый то к веществу, то к полю, — порождал новые противоречия.

Например, признав свет потоком фотонов, было естественно считать, что внутренняя полость раскалённой печи наполнена «фотонным газом». Но попытка применить к этому «газу» формулу Планка приводила не к ней, а к давно отвергнутой, ошибочной, «доквантовой» формуле Вина.

Индийский физик Бозе предположил, что корень ошибки — в применении к фотонам тех методов статистики, которые были разработаны для обычных частиц. Но обычные частицы, как думали в то время, вечны, они не рождаются и не гибнут, а фотоны рождаются при испускании и гибнут при поглощении. Иными словами, обычные частицы различимы, их можно, например, перенумеровать. Конечно, не практически, но принципиально это возможно. Фотоны же неразличимы, их нельзя перенумеровать даже в принципе. Если при выводе формул, описывающих статистические свойства частиц, учесть их неразличимость и применить эти формулы к фотонам, то вместо неверного результата Вина получается правильная формула Планка.

Эйнштейну пришлось редактировать немецкий перевод статьи Бозе, в которой излагались эти идеи. Одновременно он познакомился с диссертацией де Бройля, излагавшей волновую механику. Эйнштейн обнаружил глубокую связь этих внешне столь далёких теорий. Он показал, что идеи Бозе могут быть применены не только к фотонам, но к фотонному газу и к обычным газам, если число частиц в них не постоянно. На этом пути он получил ряд новых результатов в старой и, казалось, завершённой области молекулярной физики. Всё более очевидным становилось то, что классичес кая физика является частным случаем квантовой.

Порванные нити старых и новых теорий сближались…

Но для полной стыковки прежней, классической физики и новой время ещё не наступило.

Де Бройль продолжал упорствовать в своём мнении, склоняясь к концепции частиц, считая их волновые свойства в существенной мере формальными, а их появление в теории оправданным только для предсказания статистических свойств, наблюдаемых в опытах, где участвует много частиц.

Шредингер придерживался радикальной точки зрения, заключающейся в том, что частицы сохраняются в науке лишь в силу привычки, в то время как реальными являются волны света и волны на воде, связанные с частицами.

Де Бройль пытался построить компромиссную теорию, в которой частицы выступают как некоторые особенности, «узлы» в волне, но не смог справиться с математическими трудностями на пути описания этой идеи уравнениями. Без уравнений теория мертва. Она не может быть проверена опытом, и де Бройль отложил её до лучших времён.

Однако было в этой точке зрения нечто столь серьёзное, что вызывало симпатию даже Эйнштейна, скептически настроенного по отношению ко многим формальным идеям квантовой физики. Размышляя о механизме вкрапления материи в электромагнитное поле, Эйнштейн писал: «Вещество — там, где концентрация энергии велика, поле — там, где концентрация энергии мала. То, что действует на наши органы чувств в виде вещества, есть на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путём можно было бы создать основы новой философии».

Но в этой новой философии Эйнштейн видел всё-таки прежний фундамент: наглядное представление о предметах спора. Молодые творцы квантовой физики его не поддер живали. Гейзенберг, например, ни о каком компромиссе с прежними физическими воззрениями не помышлял. Он утверждал принципиальную невозможность объективного познания всех свойств частиц одновременно.

Он говорил, что, производя над квантовой системой измерения, чтобы описать исходные данные опыта, мы обязательно вносим в систему возмущения. Такие возмущения не могут быть учтены или вычислены. Поэтому состояние и последующие изменения системы оказываются в существенной мере неопределёнными. В результате, теория не может точно предвычислить результаты опыта. Предсказания теории могут иметь только статистический — вероятностный — характер.

Гейзенберг сформулировал свою идею в виде принципа неопределённости. В простейшем виде его суть состоит в том, что принципиально невозможно совершенно точно определить все характеристики квантовой частицы одновременно. Например, нельзя одновременно точно определить положение и скорость электрона, а значит, невозможно определить точную траекторию его движения.

Споры молодых рассудил Бор. Он предложил оригинальное решение дилеммы «волна или частица». Это решение подсказала Бору идея Гейзенберга, Бор заметил, что при учёте принципа неопределённости волновые и корпускулярные свойства не могут войти в противоречие. Чем точнее определяются волновые свойства частицы, тем неопределённее становятся её корпускулярные характеристики, и наоборот. Бор назвал оба аспекта дополнительными и, придав этому философский смысл, пытался успокоить сомнения физиков. Но принципом дополнительности Бор только разжёг огонь под костром тлеющих сомнений.

Смутные идеи дополнительности таили в себе глубокие трудности при описании причинной связи явлений микромира. Учёные старой школы — Лоренц, Планк, Эйнштейн и их последователи относились с большим сомнением к подобным идеям. Однако все попытки создать квантовую те орию, включающую классические представления о связи причин и следствий, начала и конца явлений микромира, так до сих пор не увенчались успехом.

По-прежнему оставался загадкой «вечный» вопрос о том, обладают ли волновыми свойствами отдельные частицы или же волновые свойства не присущи каждой индивидуальной частице, а возникают лишь как характеристика поведения совокупности частиц.

Пытаясь выяснить это, Фабрикант с сотрудниками провёл опыт с дифракцией электронов в таких условиях, когда электроны пролетали через их прибор поодиночке.

Результаты такого опыта должны были чётко ответить на вопрос о том, обладает ли каждый индивидуальный электрон волновыми свойствами или нет.

Не вдаваясь во все подробности и допуская некоторую схематизацию, опыт можно описать так: электроны достаточно редко вылетают из источника к экрану. По пути они должны пройти сквозь перегородку с двумя малыми, близко расположенными отверстиями. «Редко» — значит через такие промежутки времени, чтобы каждый электрон заведомо достиг экрана, прежде чем вылетит следующий. «Малые, близко расположенные» надо понимать так же, как при опытах с дифракцией рентгеновских лучей или дифракцией света — настолько малые и настолько близкие, чтобы дифракционные картины, образуемые каждым отдельным отверстием, перекрывались.

Если одно из отверстий было закрыто, опыт показывал, что точки попадания отдельных электронов в экран со временем дают картину, соответствующую дифракции волн де Бройля. Точка попадания каждого электрона определяется законами вероятности, а вероятность может быть предвычислена при помощи волновой теории.

Если же открыты оба отверстия, электроны по-прежнему попадают на экран по закону случая, но вероятность при этом соответствует дифракции волн де Бройля на двух отверстиях. Можно сказать, что электрон, пролетая через одно из отверстий, «чувствует», открыто другое или нет. В зависимости от этого изменяется вероятность его попадания в ту или иную точку экрана. Столь осознанное поведение электронов казалось просто мистикой.

Учёные увеличивали интенсивность пучка электронов так, чтобы сквозь прибор пролетало одновременно много электронов. Но это не изменяло результатов опыта. Разница состояла лишь в том, что та же картина получалась на экране соответственно более быстро.

Так опыт подтвердил, что движение каждого индивидуального электрона подчиняется вероятностным законам квантовой теории.

Положение с тех пор не изменилось. Вопрос «волна или частица» не получил радикального ответа. Учёные сошлись на компромиссном ответе: волна и частица. В одних условиях превалируют волновые свойства, в других — корпускулярные. Приходится привыкать к тому, что природа элементарных частиц сложнее, чем это думали, и всё ещё остается недостаточно изученной. Мы не знаем, почему существуют именно те элементарные частицы, которые нам известны; не можем предсказать, какие из них ещё ждут своего открытия. Не знаем, почему они обладают определёнными значениями массы, заряда и спина. Не знаем, сколько новых свойств проявится у этих частиц в добавок к тем, которые уже известны и получили удивительные названия — изотопический спин, странность, шарм (очарование)…(Действительно, выявляются всё новые и новые свойства элементарных частиц, а сами они предстают перед нами всё менее и менее элементарными. Считавшиеся неделимыми протоны и нейтроны оказались построенными из ещё более элементарных частиц — кварков, сцепленных между собой глюонами. У кварков и глюонов выявилось новое свойство, новое «квантовое число», условно названное цветом. Его сходство с цветом светового луча состоит в том, что и оно может принимать три основных значения (условно — «красный», «зеленый», «синий»), суммирование которых даёт бесцветную, «белую» частицу. — Прим. В.Г. Сурдина)

Ситуация в физике элементарных частиц прекрасно иллюстрирует положение диалектического материализма о познаваемости мира и о безграничности этого процесса. Мы всё лучше разбираемся в свойствах микромира, познаём его все глубже, но перед нами возникают все более широкие перспективы, нам открываются всё более тонкие детали. И каждому следующему поколению выпадают равные шансы на прозрения и заблуждения, на волнующие сенсации.

Мир, в котором мы живём, лишь в малой степени доступен нашим органам чувств. Однако разум человека позволил ему проникнуть далеко за границы видимого и осязаемого. При этом наиболее существенное продвижение обеспечили не микроскопы и телескопы, непосредственно увеличивающие возможности глаз, а ускорители элементарных частиц, радиотелескопы, разнообразные приборы для исследования спектров и многие другие, среди которых особое место занимают электронные вычислительные машины. Можно сказать, что ЭВМ вооружают не органы чувств, а мозг — орган познания.

Именно мозг, а не органы чувств позволяют нам всё глубже проникать в микромир и макрокосмос. Ведь без приборов, порождённых мыслью учёных, инженеров и конструкторов, мы бессильны при обработке сотен тысяч фотографий, среди которых лишь на нескольких зафиксировано рождение неизвестной частицы или протекание загадочной реакции; без приборов мы не могли бы узнать что-либо о таинственных ядрах галактик и многое другое…

Нас уже не удивляет то, что новое в мире скрывается за пределами видимого и для его исследования необходимо создавать всё более сложные приборы.

Поразительно, что такое положение сложилось не только в глубинах атома, но и в современной астрономии, особенно в космологии, изучающей строение и развитие Вселенной.

В течение более двух тысячелетий астрономия основывалась на непосредственном наблюдении светил. Галилей, направив свою зрительную трубу в небо, обнаружил не только пятна на Солнце и спутники Юпитера, но и мириады звёзд, недоступных невооруженному глазу.

Увеличение размеров и точности телескопов позволило наблюдать всё более далёкие и всё менее яркие светила. Пришло время, и астрономы научились рассматривать даже объекты, совершенно не излучающие видимого света. Читатель вправе усомниться — телескоп не может зарегистрировать невидимую звезду! Речь не об этом. И даже не о наблюдении в недоступных глазу областях спектра, когда применяются специальные приборы, регистрирующие инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Речь идёт о косвенном наблюдении, если можно так выразиться.

Астрономы обнаружили очень маленькие периодические движения некоторых «неподвижных» звёзд. Какой они сделали вывод? Эти движения, по их мнению, свидетельствуют о том, что колеблющиеся звёзды обладают незримыми спутниками. При помощи спектрального анализа света загадочных звёзд и путём сложных расчётов удаётся получить много сведений об этих удалённых мирах. В одних случаях спутники оказались меньшими, чем видимая звезда, — это никого не удивило, их можно уподобить планетам (Позже открытие планет этим методом не подтвердилось. Наземные телескопы пока не могут измерять положения звёзд с такой точностью, чтобы по их периодическому смещению на небе обнаруживать присутствие рядом с ними планет. Но это оказалось возможным с помощью метода доплеровской спектроскопии, измеряющего периодическое движение звезды вдоль луча зрения наблюдателя. Начиная с 1995 г. этим методом у ближайших к Солнцу звёзд обнаружено около 200 планет. — Прим. В.Г. Сурдина).

В других — не только превосходят по массе видимую звезду, но остаются невидимыми! Ничего подобного астрономы раньше не знали и аналогий этому не находят. Обнаружение звёздных пар, в которых невидимая компонента превосходит видимую, поставило астрономов перед сложной задачей.

Эта задача осталась, по существу, нерешённой и по сей день. Но чтобы предугадать направление её возможного решения, оглянемся на путь, в конце которого остановился Ньютон, и попробуем ухватиться за кончик этой нити Ариадны. Может быть, она приведёт нас к пониманию секрета возникновения и невидимых, и видимых звёзд, и всего многообразия подлунного мира…

После того как была отвергнута догадка Аристарха о движении Земли и планет вокруг Солнца в угоду системы Птолемея, утвердившего неподвижную Землю в центре мироздания, прошли века.

Понадобилось мужество Коперника, чтобы восстать против мертвящей схоластики, освящённой клерикалами и поддерживаемой авторитетом священного писания. Мужество, подобное доблести сапёра, незримо и тихо подводящего грозную мину под крепость врага. Упорная работа в мрачном, грозящем обвалом штреке, рядом со страшной взрывчаткой требует не меньшей смелости, чем лихая атака.

Кеплер и Галилей, каждый по-своему, продолжили дело Коперника. Кеплер описал движение планет на языке математики. Галилей показал людям малое подобие Солнечной системы в виде спутников Юпитера.

Но людям недостаточно увидеть и даже описать видимое. Они хотят знать, почему происходит то, что наблюдают.

Ответить на вопрос «почему?» обычно много труднее, чем описать, «как» протекает то или иное явление. Труды армии учёных подготавливают фундамент для прорывов, которые под силу лишь гениям.

Загадка движений планет покорилась Ньютону. Для этого ему пришлось понять, записать в виде простой формулы, а потом применить закон всемирного тяготения. Закон, управляющий движением планет и звёзд, полётом пуль, падением яблока и грозными океанскими приливами. Законы Кеплера оказались простыми следствиями закона тяготения.

Всё казалось предельно ясным. Единый закон управляет множеством разнообразных явлений. Великая тайна мироздания открылась людям во всей своей гармоничной простоте. Учёные и простые люди преклонялись перед гением Ньютона, достигшего пределов познания.

Неудовлетворённым оставался прежде всего сам Ньютон. На фоне его грандиозных достижений ещё раз проявили свою мощь объективные законы познания. Объяснив, почему планеты движутся по своим орбитам, почему орбиты имеют форму эллипсов и многое другое, Ньютон хотел знать, как началось движение планет. Закон тяготения и все законы механики оказались недостаточными, чтобы ответить на этот вопрос. Ньютон так и не сумел понять, с чего всё началось. Ему пришлось обратиться к воле божьей, к первому толчку, причина и природа которого лежали за пределами механики, созданной Ньютоном.

Ньютон передал нерешённую загадку потомкам, и она казалась доказательством благости божественного промысла, создавшего мир, свидетельством тщетности попыток понять, как протекал процесс созидания.

С этим не захотели мириться философ Кант и математик Лаплас. Оба они стремились понять строение и развитие мира без ссылок на божью волю. Они нашли в законах Ньютона всё нужное для этой цели. И создали свою версию возникновения мира. Их гипотеза вышла далеко за пределы астрономии и физики, став гимном и знаменем освобождения человеческого разума от всяких догм.

Гипотеза Канта — Лапласа исходит из данных астрономических наблюдений. Астрономы обнаружили в бескрайних глубинах Вселенной огромное количество туманных образований. Одни из них имеют спиральную форму. Другие оказываются шаровыми скоплениями множества звёзд. А есть и такие, что сохраняют вид газовых облаков, и исследования спектров их свечения подтверждают их газовую структуру.

Не являются ли газовые шаровые туманности первоначальной стадией эволюции звёздных миров? Это было простое и заманчивое предположение. Сжимаясь под влиянием сил тяготения, туманности вполне могут распасться на части, из которых впоследствии постепенно образуются звёзды.

Напрашиваются два варианта эволюции. Один приводит к шаровым звёздным скоплениям, в которых звёзды расположены более или менее равномерно. Другой ведёт к образованию вращающихся спиральных скоплений, в которых звёзды сосредоточены в рукавах, закрученных вокруг центра туманности.

И почему бы при этом не допустить, что процессы, ответственные за распад первоначальной туманности (по крайней мере в спиральных скоплениях), не только продолжаются до стадии образования звёзд, но и приводят к появлению их спутников-планет?

Математические расчёты, проведённые Лапласом с учётом законов механики Ньютона, подтвердили полное соответствие этой гипотезы законам всемирного тяготения.

Согласно ей первичная туманность, вращаясь, распадается на части, из которых постепенно возникают Солнце, планеты и их спутники. Не удивительно, что наградой авторам этой впечатляющей научной сенсации был триумф и признание.

Великое значение гипотезы Канта — Лапласа, не оставившей в модели мироздания места для Бога, не умаляется тем, что со временем она оказалась совершенно несоответствующей действительности.

Главная неувязка проявилась при распределении между Солнцем и планетами в момент рождения первоначального количества вещества и энергии. Ведь если все они рождены в одной туманности, то должны были поделить между собой в соответствующих пропорциях и её массу, и энергию вращения. Но то, что дарила новорожденным гипотеза Канта — Лапласа, противоречило законам механики при всех разумных предположениях о свойствах первоначальной туманности. Не давали баланса и вращательные движения Солнца и планет — они не укладывались в разумную схему.

Нет, Кант и Лаплас не дали убедительного ответа на вечный вопрос о происхождении Солнечной системы.

На смену пришла гипотеза астронома Джинса: планеты возникли из Солнца под влиянием притяжения другой звёзды, случайно прошедшей мимо Солнца на достаточно малом расстоянии.

Джинс рассчитал, что при этом, в соответствии с законами Ньютона, на Солнце возникает огромная приливная волна. Она не падает обратно, а распадается на части. Планеты и их спутники, возможно, — остывшие части такой раскалённой приливной волны. При этом непосредственно объясняется и существование нагретых земных недр — остатков первоначального костра, и отсутствие атмосферы на Луне, и многое другое, что, впрочем, объяснялось и гипотезой Канта — Лапласа.

Несостоятельность гипотезы Джинса вскрылась скорее, чем пороки её предшественницы. Она, как и гипотеза Канта — Лапласа, не могла объяснить, почему некоторые члены семейства Солнечной системы вращаются на встречу остальным. Выявились и другие противоречия.

«Проклятый» вопрос о происхождении Солнечной системы не сходил с повестки дня научных дискуссий.

Следующим крупным шагом стала гипотеза известного советского учёного-математика, астронома и полярника Шмидта. В ней были отзвуки прежних мнений, нечто общее с гипотезой Канта — Лапласа. Но содержались и существенно новые идеи: планеты, по мысли Шмидта, возникли как результат объединения твёрдых частиц, входивших в газово-пылевое облако, первоначально заполнявшее окрестности Солнца. Как объясняется в этой гипотезе разогрев недр крупных планет? Радиоактивными процессами. А странные обратные движения некоторых небесных тел? Они могут по логике рассуждений возникнуть в ходе объединения частиц, получивших такие движения в результате случайных столкновений в первоначальном газово-пылевом облаке. Несоответствие в распределении массы и вращательного движения между планетами и Солнцем, оказавшееся непреодолимым для гипотезы Канта — Лапласа, объяснялось дополнительной гипотезой: газово-пылевая туманность не возникла вместе с Солнцем, а была им захвачена впоследствии при встрече в просторах космоса.

Распределение масс и движений ничем не связаны и определяются произволом случайности.

Гипотеза Шмидта до сих пор считается наиболее привлекательной. Однако и против неё имеются возражения. Загадка происхождения Солнечной системы так и не решена окончательно.

Не следует забывать, что гипотеза Шмидта, как и её предшественницы, рискует объяснить лишь образование планет Солнечной системы. Ни одна из гипотез не проливает света на развитие Вселенной как целого, на проблему возникновения звёзд, на образование и эволюцию звёздных скоплений и газовых облаков.

В прошлом веке, когда гипотеза Канта — Лапласа ещё не была отвергнута, положение казалось вполне удовлетворительным. После того как её неприменимость к образованию планетных систем была общепризнана, большинство учёных предпочитали сохранить её для объяснения ранних стадий развития Вселенной, для описания эволюции газовых туманностей в звёздные скопления. Но прежняя уверенность всё более слабела по мере накопления новых наблюдений.

Решающий перелом в космологии, как и во многих других областях, вызвала теория относительности. Сразу после создания общей теории относительности, включившей в свою сферу поля тяготения, Эйнштейн применил её к решению задачи о строении Вселенной.

И это было подобно тому, словно человечество построило новый телескоп, обладающий необыкновенной зоркостью. Правда, самую впечатляющую находку заметил не Эйнштейн, а мало кому известный в то время ленинградский математик Фридман, интересовавшийся до того главным образом проблемами метеорологии. Он обнаружил, что Эйнштейн не увидел странного вывода, вытекающего из уравнений общей теории относительности.

Фридман ещё раз обнаружил, что уравнения иногда оказываются «умнее» своего создателя. Фридман понял, что одно из возможных решений эйнштейновских уравнений общей теории относительности описывает эволюцию Вселенной как её постоянное расширение. В соответствии с этим можно строить достоверное предположение о том, что вся масса Вселенной была первоначально сосредоточена в чрезвычайно плотном и горячем сгустке. А затем началось расширение, и это расширение происходит до сих пор… Причём скорость расширения возрастает по мере увеличения расстояний… Необычность выводов Фридмана, помимо прочего, состояла в том, что любая точка пространства рассматривалась им как центр расширяющейся Вселенной.

Никто, даже Эйнштейн, не поверил Фридману. Но вскоре он понял, что решение Фридмана не содержит ошибки. Он сообщил об этом в специальной статье, в которой отметил и то, что ранее заблуждался и не понял работу Фридмана.

Прошли годы, решение, найденное Фридманом, получило неожиданную опору в наблюдении астронома Хаббла.

О сенсационном наблюдении Хаббла много писали, все о нём знали, но то, что обнаружил Хаббл, не перестаёт поражать воображение: все отдаленные туманности убегают от нас с огромными скоростями, причём скорость каждой туманности тем больше, чем дальше она отстоит от Земли. Многие астрономы подтвердили правильность наблюдений Хаббла, но объяснить причины этого удивительного разбегания не мог никто. Это была ещё одна загадка, которую природа подбросила человеку в дополнение ко многим и многим все ещё не решённым.

Впоследствии оказалось, что решение Фридмана спо собно привести к различным вариантам эволюции Вселенной. Она может не только безгранично расширяться, но и совершать пульсации, при которых стадии расширения сменяются стадиями сжатия. Но так ли это? Здесь приходится полагаться только на формулы, воображение и интуицию. Учёные до сих пор не могут прийти к единодушию в этом вопросе. Опыт, который помог бы сделать окончательный выбор, ещё не даёт достаточно точных результатов. (В самом конце XX века астрономы обнаружили, что расширение Вселенной не подчиняется ни одному из тех вариантов, которые считались единственно возможными в момент написания этой книги. Судя по последним данным, взаимное удаление галактик и их скоплений происходит не с замедлением скорости, которое должно было наблюдаться из-за взаимного притяжения галактик, а напротив — с ускорением, причиной которого считается новое явление — всемирное антитяготение. Пока не ясно, чем оно вызвано. Неизвестный вид материи, ответственный за антитяготение, называют тёмной энергией, квинтэссенцией и т. п. Любопытно, что и это новое свойство Вселенной также хорошо описывается теорией Фридмана. — Прим. В.Г. Сурдина)

ПОИСКИ СВИДЕТЕЛЕЙ

И Ньютон, и Эйнштейн, и Фридман лишь в малой степени ответили на вопрос, «как» развивалась Вселенная. Но почему всё произошло так, а не иначе, есть ли в природе свидетель возникновения мира — на эти вопросы все ещё нет ответа.

Вселенная задаёт учёным всё новые и новые загадки. Но разум человека мужает, и на многие вопросы уже найдены ответы. А если не найдены, то нащупаны пути, которые должны привести к ним. По одному из них учёных повела радиоастрономия. Возникновение радиоастрономии, исследующей радиоволны, приходящие к нам из глубин Вселенной, привело к обнаружению удивительных объектов, получивших название квазары. Квазар — это квазизвёздный источник. Размеры его схожи с размером отдельной звёзды, а излучаемая энергия близка к излучению огромных звёздных скоплений. Природа квазаров и причина извержений столь колоссальных количеств энергии всё ещё не поддаются пониманию(Как стало понятно в последние годы, квазары — это невероятно активные ядра крупных галактик. Причиной активности в большинстве случаев, по-видимому, является расположенная в центре галактического ядра гигантская чёрная дыра с массой в десятки и даже сотни миллионов масс Солнца. Своим притяжением она разрушает пролетающие мимо звёзды и поглощает их вещество. Падение вещества в чёрную дыру происходит со скоростью, близкой к скорости света. Взаимное трение слоёв газа сильно нагревает их и делает мощным источником рентгеновского и оптического излучения. За счёт этой же энергии часть вещества отбрасывается от чёрной дыры в виде быстрых и тонких струй. — Прим. В.Г. Сурдина).

Пока астрономы делились догадками по поводу этого нового вида звёзд, был открыт ещё один класс таинственных объектов, заставивших учёных вернуться к одной из гипотез, считавшейся ошибочной. Группа английских радиоастрономов обнаружила при помощи радиотелескопа неожиданные сигналы, приходящие из космоса один за другим с периодичностью, превосходящей точность хода большинства часов. Прежде чем думать о природе этих сигналов, нужно было убедиться в том, не вызваны ли они помехами промышленного происхождения или не излучаются ли какой-либо специальной радиостанцией. Проверки показали, что сигналы приходят из космоса.

Нельзя было сразу исключить и волнующую возможность того, что сигналы были искусственными и приходили от планеты, обращающейся вокруг одной из отдалённых звёзд. Но в этом случае, при наблюдении в течение нескольких недель, в этих сигналах должны были бы обнаружиться характерные изменения, обусловленные движением планеты. Доктор Хьюиш, руководитель группы астрономов, проводившей эти наблюдения, сказал:

«Эти недели в декабре 1967 года были, несомненно, самыми волнующими в моей жизни».

Ожидаемые изменения сигнала не были обнаружены. Гипотеза о контакте с внеземной цивилизацией отпала.

После недолгих сомнений астрономы поняли, что им

удалось найти экспериментальное подтверждение одной из мало популярных космологических гипотез, представлявших сплав теории относительности и физики элементарных частиц. Корни этой гипотезы уходят в глубь проблемы источника энергии, поддерживающей свечение Солнца и звёзд.

Первоначально, в соответствии с гипотезой Канта — Лапласа, казалось, что этим источником являются силы тяготения. При сжатии туманностей и при дальнейшем сжатии звёзд силы тяготения вызывают нагревание сжимающегося вещества. Однако по мере уточнения теории и накопления экспериментальных данных выяснилось, что сил тяготения недостаточно для объяснения эволюции звёзд.

Геологи установили, что возраст Земли много больше, чем время, за которое Солнце должно было бы излучить все запасы энергии, могущие образоваться за счёт сил тяготения. Значит, внутри Солнца действуют какие-то другие источники энергии.

Попытка объяснить длительное свечение звёзд энергией радиоактивного распада, вселившая поначалу большие надежды, окончилась неудачей, когда были достаточно точно изучены законы радиоактивных превращений и подсчитана относительная доля различных элементов во Вселенной.

На смену пришла гипотеза термоядерного синтеза.

Эта гипотеза, сыгравшая роль и при создании водородной бомбы, казалась надёжно подтверждённой, в частности, опытами с этим страшным оружием.

Однако в самое последнее время уверенность в справедливости этой теории, во всяком случае в верности лежащей в её основе цепочки ядерных реакций, была поколеблена экспериментом.

Дело в том, что в ходе предполагаемых ядерных реакций в недрах Солнца должно выделяться огромное количество нейтрино. Оставалось одно — проверить это предположение, поймать нейтрино. Но нейтрино — удивительные элементарные частицы. Нейтрино, как и фотон, не может находиться в покое, всегда движется со скоростью света8, не имеет заряда и, в отличие от фотонов, почти не взаимодействует с веществом! Вернее, это взаимодействие столь слабо, что нейтрино может почти наверняка проскочить сквозь толщу Земли, ни за что не «зацепившись». Лишь малая часть всего потока нейтрино, исходящих из Солнца, может задержаться в земной толще из-за взаимодействий с ядрами атомов, образующих земные породы.

Неуловимость нейтрино долго мешала экспериментальному подтверждению их существования. Прошло много лет после того как Паули, физик-теоретик, в 1931 году постулировал их существование, а нейтрино всё ещё оставались неуловимыми. Лишь в 1956 году были наконец зафиксированы нейтрино, исходящие из ядерного реактора. Но солнечных нейтрино попрежнему ни в одной лаборатории мира изловить не удавалось.

(Оказалось, что это не так: как показали эксперименты 1998–2002 гг., нейтрино трёх известных сортов — электронное, мюонное и тау — могут превращаться одно в другое, а значит, нейтрино имеет массу покоя (хотя и очень маленькую), движется со скоростью меньше скорости света — Прим. В.Г. Сурдина)

Надо было изучить свойства, характер, все особенности этих элементарных частиц, чтобы понять, каким прямым или косвенным образом можно опознать их. Большой опыт в этой области физики имеет советский учёный академик Понтекорво. Он внёс значительный вклад в изучение нейтрино. Он же предложил и схему эксперимента для поимки солнечных нейтрино. Понтекорво решил использовать для этой цели перхлорэтилен — вещество, широко применяемое для чистки одежды. Нейтрино должны превращать ядра хлора-37, содержащиеся в этой жидкости, в

КВАНТЫ И МУЗЫ

Независимо от выяснения деталей реакции термоядерного синтеза все хотят знать, что ожидает Солнце и звёзды, когда в них истощатся ресурсы термоядерного горючего? Мы хотим знать, что будет, когда вырабатываемая из него энергия уже не сможет сдерживать сжатия, обусловленного силой тяготения?

Особенно остро этот вопрос стоит для массивных звёзд. Например, звезда, масса которой в 10 раз превышает солнечную, светит в 10 тысяч раз сильнее Солнца. При этом такие звёзды могут сиять лишь 10–20 миллионов лет. Что с ними будет позже? Расчёты показывают, что эти звёзды не могут пройти путь, уготованный Солнцу.

Солнце, по исчерпании ресурса своих термоядерных реакций, через десяток миллиардов лет превратится в маленькую яркую звёздочку, подобную известным астрономам белым карликам. При этом силы тяготения сделают его вещество в миллион раз более плотным, чем вода на поверхности Земли. Затем начнётся длительный этап дальнейшего сжатия и постепенного охлаждения.

Ещё в 1929 году астрофизик Фаулер пытался изучить этот этап эволюции звёзд при помощи недавно созданной квантовой механики. Он обнаружил, что гравитационное сжатие может объединить всю массу звёзды в подобие огромного атомного ядра. После того как в 1932 году был открыт нейтрон, молодой советской теоретик Ландау предположил, что со временем этот процесс приведёт к превращению почти всей массы звёзды в сгусток нейтронов, обладающий плотностью, ещё в миллиард раз превышающей плотность белых карликов. Такое вырожденное нейтронное состояние может возникнуть в звезде только после окончания всех термоядерных реакций, когда тлеет остывающий «пепел» бывшего светила.

Здесь мы должны возвратиться к открытию английских астрономов. Сейчас твёрдо установлено, что они обнаружили именно нейтронную звезду. Уже известно несколько сотен таких звёзд, названных пульсарами. Некоторые из них с завидным постоянством излучают не только импульсы радиоволн, но и вспышки света.

(Уже обнаружено более 2000 нейтронных звёзд, в основном это радиопульсары, а также рентгеновские и оптические пульсары. — Прим. В.Г. Сурдина)

ПРОКЛЯТЫЕ ВОПРОСЫ.

Теперь мы знаем о пульсарах многое. Это очень малые объекты, диаметром в несколько километров. Оказалось, что вещество пульсара при температуре в миллиард градусов ведет себя так, как обычное вещество вблизи абсолютного нуля. Эта нейтронная сверхтекучая «жидкость» окружена тонкой железной «корой». Пульсар быстро вращается, излучая узкий пучок электромагнитных волн, оббегающий пространство подобно лучу прожектора. Когда этот пучок проходит через Землю, приборы регистрируют вспышку излучения пульсара. Период этих вспышек медленно возрастает по мере того, как звезда излучает свою энергию в пространство.

Однако периоды замедления иногда прерываются скачкообразным ускорением вращения. Это связано с «пульсаротрясениями»: натяжения в железной коре в процессе сжатия возрастают настолько, что она ломается и пульсар, уменьшившись в размерах, начинает вращаться быстрее.

Все эти сведения о пульсарах дали расчёты, проведённые на основе теории и наблюдений за изменением периодов их вращения. И эти расчёты бесценны для понимания, для пополнения наших знаний о природе небесных тел. Они не только предсказывают судьбу нашего Солнца и подобных ему небесных тел, но и проливают свет на будущее других светил. Те же расчёты свидетельствуют, что звезда, всего в полтора-два раза более массивная, чем Солнце, не может превратиться в белого карлика. Не станут белыми карликами и звёзды, обладающие ещё большей массой. Так люди узнали, что судьба у звёзд разная!

Очень часто знанию предшествует догадка, предчувствие. И около сорока лет назад, задолго до открытия пульсаров, известный индийский астрофизик Чандрасекар пришёл к тем же выводам, к которым сегодня привели расчёты.

Он писал: «История жизни звёзды малой массы должна существенно отличаться от истории жизни звёзды большой массы. Для звёзды малой массы естественно достигаемое состояние белого карлика является первым шагом к полному угасанию. Звезда с большой массой не может превратиться в белого карлика, и нам необходимо искать другие возможности».

Сейчас это общепризнанный результат. Но тогда этому никто не поверил. Вот что писал, возражая Чандрасекару, маститый астроном Эддингтон: «Звезда будет продолжать излучать и излучать, сжиматься и сжиматься до тех пор, пока она, я полагаю, не достигнет радиуса в несколько километров, тогда гравитация окажется достаточно сильной, чтобы “запереть” излучение, и звезда наконец-то сможет обрести покой».

В 1972 году Чандрасекар сказал по этому поводу:

«Если бы Эддингтон здесь остановился, мы могли бы воздать ему должное за первое предсказание существования “чёрных дыр”»…

Но… Он не остановился. Вот что мы читаем дальше у Эддингтона: «Я чувствую себя насильственно подведённым к выводу, который является почти доведением до абсурда релятивистской формулы вырождения… Я уверен в существовании закона природы, предохраняющего звезду от вступления на этот абсурдный путь».

Так Эддингтон свернул с пути, ведущего к замечательному открытию. А ведь у него уже было больше данных, чтобы приблизиться к истине, чем, скажем, у Лапласа. Однако тот почувствовал возможность существования того, что мы называем «чёрной дырой», почти двести лет назад! Он даже вычислил, какими должны быть масса и радиус звёзды, чтобы ни вещество, ни свет не могли покинуть её поверхности. Лаплас писал об этом в 1798 году. В то время расчёт Лапласа казался курьёзом, далёким от реальности. Однако его результат точно совпадает с тем, который получается из общей теории относительности! Звезду, которая втягивает в себя не только частицы, но и электромагнитные волны, теперь называют «чёрной дырой».

Прежде чем остановиться на этом явлении природы подробнее, ответим на вопрос: что может произойти со звездой, которая слишком массивна для того, чтобы спокойно пойти по пути эволюции через состояние белого карлика к пульсару?

Расчёты показывают, что, скорее всего, процесс приведёт к катастрофе. Сжимаясь под действием гравитационных сил, более не сдерживаемых истощившейся энергией термоядерного синтеза, звезда потеряет устойчивость и испытает подобие колоссального взрыва. При этом огромная часть массы её будет выброшена в пространство. Люди неоднократно наблюдали такие взрывы в виде появления необычайно ярких, быстро угасающих звёзд. Одна из таких «сверхновых» наблюдалась примерно тысячу лет назад, и её остатки мы знаем в форме Крабовидной туманности.

Если выброшенная масса будет такой, что остаток звезды может эволюционировать по пути белого карлика, она постепенно превратится в стабильную нейтронную звезду, в знакомый нам пульсар. Именно это и произошло со «сверхновой» в Крабовидной туманности.

Однако такой вариант не может быть единственным. Более того, он представляется мало вероятным, а значит, сравнительно редким.

Скорее всего, звезда, первоначально в 10 раз превосходившая по массе Солнце, не попадёт в узкий «коридор» такой эволюции. В этом случае гравитационное сжатие перейдёт в коллапс, и звезда сожмётся до состояния, предвиденного Лапласом: всё более возрастающие гравитационные силы «запрут» её излучение. Она перестанет быть видимой.

Таких «чёрных дыр» может быть очень много. Предполагается, что в центрах галактик существуют огромные «чёрные дыры» с массой от десяти тысяч до десяти миллионов солнечных масс, непрерывно поглощающие окружающее вещество, а иногда и целые звёзды.

Эту теорию трудно подтвердить опытом, ибо «чёрную дыру» нельзя видеть непосредственно. Но если она имеет спутника в виде обычной звёзды, то, наблюдая её излучение, можно заключить, что незримым партнёром является именно «чёрная дыра».

Астрономы уже изучили движение десятков звёзд, намекающих на то, что их партнёрами являются «чёрные дыры». Но ни одна из них пока не обнаружила всей совокупности признаков, которые должна демонстрировать такая пара.

Одним из решающих доводов в пользу того, что невидимый партнёр является «чёрной дырой», должно быть мощное рентгеновское излучение. Оно неизбежно возникает, когда поле тяготения «чёрной дыры» втягивает в себя вещество из окружающего пространства, придавая частицам этого вещества всё возрастающее ускорение. Будучи партнёром обычной звёзды «чёрная дыра» постепенно всасывает в себя газовую оболочку своего партнёра. Возникшее рентгеновское излучение — словно сигналы бедствия. Но до Земли они не доходят. Они тонут в толще атмосферы.

Что ж, спросит читатель, позывные «чёрной дыры» так и останутся не услышанными?

Рентгеновское излучение из космоса стало предметом тщательного изучения после того, как космические лаборатории, вращающиеся вокруг Земли, были оснащены специальными приёмниками рентгеновских лучей — рентгеновскими телескопами. Эти телескопы обнаружили и позволили изучить рентгеновское излучение, исходящее от Солнца, звёзд и различных галактик. Что же мы узнали о «чёрных дырах» от этих разведчиков?

Все наблюдения как бы группируются в две категории. В одних случаях (их большинство) источники рентгеновского излучения совпадают с видимыми объектами. В других — такое совпадение отсутствует. Вот тут-то можно предположить, что сигналит именно «чёрная дыра»! Однако доказать это пока невозможно.

Когда источник рентгеновского излучения совпадает с видимым объектом, можно по ряду признаков судить о природе источника. Тщательное исследование показало, что природа всех известных до сих пор источников рентгеновского излучения может быть понята и объяснена без привлечения гипотезы «чёрных дыр».

До последнего времени было известно только одно исключение: рентгеновский источник Лебедь Х-1. Рассмотрение его свойств было одной из наиболее волнующих тем, которые обсуждала советско-американская рабочая группа по теории космических источников рентгеновского излучения, собравшаяся в августе 1977 года в научном городке Академии наук СССР Протвино вблизи Серпухова.

Итоги дискуссии послужили темой статьи, написанной совместно Лайманом из Гарвардского университета США, Сюняевым из Института космических исследований АН СССР, Шакурой из Государственного института им. Штернберга в Москве, Шапиро из Корнельского университета США и Эрдли из Вольского университета США.

Статья начинается так: «Мы были бы счастливы, если бы Лебедь Х-1 оказался “чёрной дырой”. Но, честно говоря, полной уверенности в этом у нас нет. Несмотря на энергичные поиски “чёрных дыр” в природе, Лебедь Х-1 остался пока единственным достоверным кандидатом в “чёрные дыры”».

В августе 1978 года появился ещё один кандидат в «чёрные дыры», ещё один рентгеновский источник, во многом похожий на Лебедь Х-1, но о нём пока известно очень мало.

Регулярные исследования источника Лебедь Х-1 ведутся уже свыше девяти лет. О нём известно, что его размеры малы, а масса больше, чем возможная для нейтронной звезды или белого карлика.

Видимый объект в Лебеде Х-1 звезда-сверхгигант. Её масса примерно в 25 раз больше массы Солнца. Это было установлено в 1971 году, когда внезапно резко изменился спектр рентгеновского источника и одновременно в этом же месте возник слабый источник радиоизлучения. Положение нового радиоисточника, измеренное при помощи радиотелескопов с чрезвычайно высокой точностью, совпало с видимой звездой, известной в астрономических каталогах под индексом V=1357Cyg. Так счастливый случай, природа которого ещё полностью не изучена, помог установить, что изменение характера рентгеновского излучения с одновременным возникновением радиоисточника связано с двойной звездой V=1357 в созвездии Лебедя.

Об этой звезде теперь известно многое. Видимая звезда вращается по своей орбите со скоростью не менее 73 км/сек., совершая оборот за 134,4 часа. Радиус орбиты, по которой движется видимая звезда, по крайней мере в 8 раз превышает радиус Солнца, а масса невидимого объекта заключена в пределах от 8 до 11 солнечных масс.(По более поздним и более точным оценкам масса невидимого объекта в системе Лебедь Х-1 заключена в пределах от 10 до 20 масс Солнца, что ещё больше укрепляет уверенность в том, что это «чёрная дыра». К 2006 году уже несколько десятков подобных объектов астрофизики называют «надежными кандидатами в “чёрные дыры”». Подробнее об этом см.: А.М. Черепащук, А.Д. Чернин «Вселенная, жизнь, чёрные дыры», Фрязино: Век-2, 2004. — Прим. В.Г. Сурдина )

Таких массивных нейтронных звёзд или белых карликов быть не может.

Для поддержания интенсивности рентгеновского излучения, наблюдаемого от Лебедя Х-1, нужно, чтобы от видимого сверхгиганта к «чёрной дыре» ежедневно перетекала масса вещества, равная всего десяти или тридцати миллиардным долям массы Солнца, так что процесс перетекания может продолжаться очень долго.

В излучении источника Лебедь Х-1 есть ещё много деталей, не имеющих однозначного объяснения. Например, неизвестна причина изменений интенсивности излучения, при которых его яркость быстро возрастает, а затем медленно уменьшается.

Учёные, выдвигающие самые разные предположения на этот счёт, единодушны в одном: исследования источника Лебедь Х-1 дадут многое для понимания эволюции Вселенной и природы элементарных частиц. Эти исследования перспективны для понимания процессов, происходящих в квазарах и в ядрах активных галактик, во-вторых, можно ожидать существование сверхмассивных «чёрных дыр», скрывающих в себе массу, в миллион или миллиард раз превышающую массу Солнца.

Позднее появились сообщения об обнаружении объектов, необычные особенности которых проще всего объяснить существованием в них сверхмассивной «чёрной дыры». Однако, кроме случая Лебедь Х-1, эти предположения не могут пока считаться полностью доказанными.

Одно из сообщений касается ядра галактики М87. Необычайно большой поток энергии, выделяемой ядром этой галактики, и спектральные особенности этого излучения наиболее непротиворечиво объясняются предположением о том, что в ядре этой галактики скрыта сверхмассивная «чёрная дыра», масса которой составляет примерно десять миллиардов солнечных масс.

Поток энергии, выделяемой этой галактикой, близок по своей величине потокам энергии, выбрасываемой квазарами — этими всё ещё непонятными объектами.

Доказательство или опровержение наличия сверхмассивной «чёрной дыры» в ядре галактики М87 даст возможность глубже понять природу таких удивительных объектов, как активные галактики и квазары.(С помощью космического телескопа «Хаббл» за последние 10 лет астрономы обнаружили в ядрах многих галактик признаки присутствия сверхмассивных «чёрных дыр» с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца. Не только галактики с активными ядрами, но и нормальные, спокойные галактики нередко содержат такие удивительные объекты. Даже в ядре нашей Галактики с очень большой вероятностью обнаружена «чёрная дыра» с массой около 4 млн. масс Солнца, которая — что удивительно — не проявляет высокой активности. — Прим. В.Г. Сурдина)

Можно было бы рассказать ещё о многих удивительных явлениях в гигантских просторах Вселенной и микроскопических процессах, связанных с взаимодействием элементарных частиц.

Но об этом невозможно рассказать всё — каждый день прибавляет нам новые открытия и новые сомнения. Истина подобна горизонту — путь к ней не имеет конца. Но чем дальше, тем