Под знаком кванта.

Квантовая физика — это наука о строении и свойствах квантовых объектов и явлений.

В этом определении все верно, и тем не менее бесполезность его очевидна до тех пор, пока мы не объяснили, что означают сочетания слов «квантовое явление» и «квантовый объект».

Слово quant — квант отсутствует во всех словарях прошлого века: оно появилось лишь в начале нашего, XX века. До этого повсеместно знали слово «quantum», которое означает: «сколько», «количество», «доля», «часть», «порция». Если поставить его рядом со словами «объект» и «явление», то получится «количественное явление» или «порционный объект» — в общем, нечто несуразное, если все это понимать буквально.

Каждый, кто изучал иностранные языки, легко поймет причину такой несуразицы: словосочетания «квантовое явление», «квантовый объект», равно как и «квантовая физика»,— это идиоматические обороты, которые нельзя переводить дословно. Чтобы понять их истинный смысл, необходимо предварительно познакомиться с обычаями и культурой страны, в которой они родились.

Квантовая физика — обширная страна с богатой и глубокой культурой. Если вы знаете о ней только то, что она «...разрешила вековую загадку таинственной страны микромира», а также «перевернула все наше мировоззрение», то вам известно о ней примерно столько же, сколько туристам о незнакомой стране, культуры которой они не знают, а языка — не понимают: их память сохранит лишь яркие пятна реклам на незнакомом языке.

Язык квантовой физики своеобразен, но, в сущности, ничем не отличается от любого иностранного. Как и всякий язык, его нельзя усвоить единым усилием воли — нужна система. Для начала надо просто запомнить несколько ходовых слов и пытаться строить из них простые фразы, не очень заботясь о строгости грамматических конструкций. Лишь впоследствии придут та легкость и уверенность владения новым языком, которые приносят с собой удовлетворение и радость чистого знания.

Чтобы привыкнуть к языку и логике квантовой физики, необходимо освоить предварительно несколько понятий, на первый взгляд ничем не связанных между собой. В стройную систему они складываются не сразу, а при длительном сопоставлении и размышлении. Процесс усвоения квантовых идей можно уподобить растворению соли в воде: вначале брошенные в стакан мелкие кристаллы бесследно исчезают, но затем наступает момент, когда достаточно бросить еще один кристаллик, чтобы из этой маленькой затравки вырос большой, правильный кристалл.

В дальнейшем мы узнаем истоки, идеи и находки квантовой физики, объясним систему ее образов и, наконец, расскажем о приложениях. Но вначале мы должны растворить в своем сознании несколько кристаллов первоначальных понятий, усвоить те немногие, но необходимые слова, без которых невозможно построить ни одной осмысленной «квантовой фразы». Для начала запомним три важных понятия квантовой физики: атомы, волны, кванты — и проследим истоки их возникновения.

АТОМЫ

Сейчас мало осталось людей, для которых реальность атомов менее очевидна, чем движение Земли вокруг Солнца. Почти у каждого с этим понятием связано интуитивное представление о чем-то маленьком и неделимом. И все же, какой смысл вкладывает в понятие «атом» нынешняя физика? Как оно возникло, что понимали под этим древние, как потом развивалось и почему только квантовая механика наполнила реальным содержанием эту умозрительную схему?

Демокрит

Творцом идеи атома принято считать Демокрита, хотя история упоминает также учителя его Левкиппа и — менее уверенно — древнеиндийского философа Канаду. О жизни и личности Демокрита мы знаем мало. Известно, что родился он в ионийской колонии Абдера на Фракийском берегу Средиземного моря; кроме Левкиппа, учился у халдеев и персидских магов, много путешествовал и много знал; прожил около ста лет и в 370 г. до н. э. был похоронен за общественный счет гражданами родного города, которые его глубоко почитали. Многочисленные поколения художников изображали Демокрита высоким, с короткой бородой, в белом хитоне и в сандалиях на босу ногу.

Легенда рассказывает, что однажды Демокрит сидел на камне у моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас это яблоко разрежу пополам — у меня останется половина яблока; если я затем эту половину снова разрежу на две части — останется четверть яблока; но если я и дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня в руке будет оставаться 1/8, 1/16 и т. д. часть яблока? Или же в какой-то момент очередное деление приведет к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?» Впоследствии оказалось, что сомнение Демокрита (как почти всякое бескорыстное сомнение) содержало долю истины. По зрелом размышлении философ пришел к выводу, что предел такого деления существует, и назвал эту последнюю, уже неделимую, частицу атом — ατομος — «неразрезаемый», а свои мысли изложил в книге «Малый диакосмос». Вдумайтесь — это написано более двух тысяч лет назад: «Начало вселенной — атомы и пустота, все же остальное существует лишь в мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости».

Когда умер Демокрит, Аристотелю, будущему учителю Александра Македонского, было 14 лет. Он был худощав, невысок ростом, изыскан, а уважение к нему переходило часто все разумные границы. Для этого были основания: он владел всеми знаниями той эпохи. Аристотель учил обратному: процесс деления яблока можно продолжить бесконечно, по крайней мере в принципе. (Справедливости ради следует признать, что идея бесконечной делимости вещества для неискушенного ума выглядит более естественно, чем мысль о существовании принципиального предела делимости материи.) Учение Аристотеля стало господствующим, Демокрита забыли на многие века, а его сочинения уничтожались с тщанием, достойным лучшего применения. Поэтому учение Демокрита сохранилось только во фрагментах и свидетельствах современников, а Европа узнала о нем из поэмы древнеримского поэта Тита Лукреция Кара (99—55 гг. до н. э.) «О природе вещей».

Бессмысленно винить древних за такой выбор — для них обе системы были равно разумны и приемлемы: цель своей науки они видели не в практических применениях (они их стыдились), а в том, чтобы с помощью умозрения достигнуть того чувства гармонии мира, которое сообщает человеку всякая законченная философия.

Чтобы освободиться от заблуждений великого авторитета, потребовались две тысячи лет. В XVII веке впервые возникла наука физика, которая вскоре вытеснила древнюю натуральную философию.

Наука опиралась не на чистое умозрение, а на опыт и математику. Окружающую природу стали не просто наблюдать, а изучать, то есть ставить сознательные опыты для проверки гипотез и записывать результаты этой проверки в виде чисел. Идея Аристотеля не выдержала такого испытания, а гипотеза Демокрита окрепла и дала начало атомной теории.

После двадцати веков забвения идею об атомах возродил к жизни французский философ и просветитель Пьер Гассенди (1592—1655): в 1647 г. появилась его книга с изложением идей атомизма. В то время это было сопряжено с известным риском: традиции средневековья преследовали не только гипотезы, но и строгие факты науки, если они противоречили общепризнанным догматам. (В Париже, например, в 1626 г. учение об атомах запретили под страхом смертной казни.) Тем не менее атомную гипотезу приняли все передовые ученые того времени. Даже Ньютон с его знаменитым девизом «Hypothesis non fingo» («гипотез не строю») поверил в нее и изложил по-своему в конце третьего тома «Оптики».

Однако до тех пор, пока гипотезу об атомах не подтвердили опытом, она оставалась, несмотря на всю свою привлекательность, только гипотезой.

В правоте Демокрита впервые наглядно мог убедиться шотландский ботаник Роберт Броун (1773—1858). В 1827 г. это был уже немолодой директор ботанического отдела Британского музея. В юности он провел четыре года в экспедициях по Австралии и привез оттуда около 4 тысяч видов растений. Двадцать лет спустя он все еще продолжал изучать коллекции экспедиции. Летом 1827 г. Броун обратил внимание на то, что мельчайшая пыльца растений произвольно двигается в воде под действием неизвестной силы. Он тут же опубликовал статью, заглавие которой очень характерно для той неторопливой эпохи: «Краткий отчет о микроскопических наблюдениях, проделанных в июне, июле и августе 1827 г. над частицами, содержащимися в пыльце растений; и о существовании активных молекул в органических и неорганических телах».

Сначала его опыт вызвал недоумение. Это недоумение усугубил сам же Броун, пытаясь объяснить обнаруженное явление некой «живой силой», которая якобы присуща органическим молекулам. Естественно, такое прямолинейное объяснение «броуновского движения» не удовлетворило ученых, и они предприняли новые попытки изучения его особенностей. Среди них особенно много сделали голландец Карбонэль (1880 г.) и француз Гуи (1888 г.). Они поставили тщательные опыты и выяснили, что броуновское движение не зависит от внешних воздействий: времени года и суток, добавления солей, вида пыльцы и «...наблюдается одинаково хорошо ночью в деревне и днем вблизи многолюдной улицы, где проезжают тяжелые экипажи». Оно не зависит даже от вида частичек, а только от их размеров и массы и, что самое главное, никогда не прекращается. (Почти за двадцать веков до Броуна свойства этого движения мысленно представил себе и подробно описал в своей поэме Лукреций Кар.)

Надо сказать, что первое время странное движение не обратило на себя должного внимания. Большинство физиков о нем вообще не знали, а те, кто знал, считали его неинтересным, полагая, что это явление аналогично движению пылинок в солнечном луче. Лишь сорок лет спустя впервые оформилась мысль о том, что видимые в микроскоп беспорядочные движения пыльцы растений вызваны случайными толчками маленьких невидимых частиц жидкости. После работ Гуи в это поверили почти все, и гипотеза об атомах приобрела множество последователей.

Конечно, и до Броуна немало людей были убеждены, что все тела построены из атомов. Для них некоторые свойства атомов были очевидны уже без дальнейших исследований. В самом деле, все тела в природе, несмотря на огромные различия между собой, имеют массу и размеры. Очевидно, у атомов этих тел также должны быть и масса, и размеры. Именно эти их свойства положил в основу своих рассуждений Джон Дальтон (1766—1844) — скромный учитель математики и натуральной философии в городе Манчестере и великий ученый, определивший развитие химии примерно на сто лет вперед. В 1804 г., тщательно анализируя известные в то время данные о химических соединениях, Джон Дальтон сформулировал понятие о химическом элементе: вещество, которое состоит из атомов одного типа.

При этом сразу же возникал вопрос: не означает ли многообразие веществ такого же многообразия атомов, как это утверждал Демокрит? Оказалось, что нет. Вскоре выяснилось, что элементов в природе не так уж много: в то время их знали около 40 (сейчас 105). Все остальные вещества построены из молекул — разнообразных сочетаний этих атомов. Сами атомы разных элементов также различаются между собой, и прежде всего массой. Самые легкие из них — атомы водорода, атомы кислорода тяжелее их в 16 раз, железа — в 56, и т. д. Так в науку об атоме впервые проникли числа.

Однако по-прежнему об абсолютных размерах и массах атомов ничего не было известно.

Первой удавшейся научной попыткой оценить размер и массу атомов следует считать работу преподавателя физики Венского университета Йозефа Лошмидта (1821 —1895). В 1865 г. он нашел, что размеры всех атомов примерно одинаковы и равны 10^-8 см, то есть 0,00000001 см, а масса атома водорода составляет всего 10^-24 г.

Впервые мы встречаемся здесь с такими малыми величинами, и у нас просто нет необходимых навыков, чтобы их осмыслить. Самое большее, на что мы способны, это сказать: тонкий, как паутина, или — легкий, как пух. Но толщина паутины (10^-3 см) в сто тысяч раз больше самого большого атома, а пуховая подушка — это уже нечто весомое и вполне реальное. Чтобы хоть как-то заполнить провал между здравым смыслом и малостью этих чисел, обычно все же прибегают к сравнениям, хотя они, как правило, мало помогают и еще меньше объясняют, поскольку для столь малых объектов само понятие о размере как о величине, измеряемой прикладыванием масштаба, теряет свой первичный смысл. Поэтому лучше с самого начала оставить попытки представить себе эти числа наглядно. Важно только понимать, что, несмотря на свою чрезвычайную малость, эти числа не произвольны: именно такие малые диаметры и массы нужно приписать атомам, чтобы свойства веществ, которые из них состоят, оказались такими, какими мы их наблюдаем в природе.

Число молекул газа в объеме 1 см³ при нормальном давлении и температуре таяния льда

L = 2,68676∙10¹⁹ см^-3

сейчас известно с большой точностью и называется постоянной Лошмидта. Она примерно в десять раз превышает значение, найденное им впервые.

ВОЛНЫ

Железо, как и всякое вещество, состоит из атомов. Если один конец железного лома поместить в печь, он, разумеется, начнет нагреваться. Мы теперь хорошо знаем, что тепло — это энергия движущихся атомов и увеличение их энергии при нагревании просто обнаружить, коснувшись, например, другого конца лома. Но это далеко не все. По мере нагревания постепенно меняется цвет нагретого железа: от вишнево-красного до ослепительно белого. Причем к лому теперь нельзя не только прикоснуться, но и просто подойти близко. Последнее уже непонятно, если пользоваться только представлением о движении атомов: действительно, мы не касались лома, атомы железа не ударялись о нашу руку — почему же нам стало жарко?

Здесь мы впервые встречаемся с новым явлением и должны ввести соответствующее ему понятие — излучение, которое на первый взгляд никак не связано с идеей атома.

Мы говорим: лучи солнца осветили поляну, то есть свет — это излучение. Но мы говорим также: греться в лучах солнца. Следовательно, и тепло может распространяться в виде лучей. Вообще, с излучением мы имеем дело постоянно: когда сидим у костра, наблюдаем закат, вращаем ручку настройки приемника или проходим флюорографию. Тепло, свет, радиоволны и рентгеновские лучи — различные проявления одного и того же электромагнитного излучения.

Однако мы все-таки их различаем не только качественно и субъективно, но и количественно. По какому признаку? У электромагнитного излучения их много, но нам особенно важен сейчас один из них — волновая природа излучения.

Явление распространения волн настолько привычно каждому из нас, что пояснять его вновь кажется излишним. Тем не менее мы все-таки напомним здесь основные свойства волнового движения, по той же самой причине, по которой даже в солидные академические словари иностранных слов помещают вполне понятные обиходные слова.

«Волна» — одно из самых необходимых слов физики. Каждый представляет себе ее по-разному: один сразу же видит волны от брошенного в пруд камня, другой — синусоиду. Поскольку синусоиду рисовать проще — воспользуемся ею. У этой схематической волны четыре свойства: амплитуда А, длина волны λ, частота ν и скорость распространения υ. Амплитуда волны — это наибольшая ее высота. Что такое длина волны — понятно из рисунка. Скорость ее распространения, по-видимому, особых пояснений не требует.

Чтобы выяснить, что такое частота, проследим за движением волны в течение секунды. При скорости υ (см/с) она за это время пройдет расстояние υ (см). Подсчитав, сколько длин волн уместилось на этом отрезке, мы найдем частоту излучения: ν = υ/λ (с^-1).

Важнейшее свойство волн — их способность интерферировать, то есть способность волн уничтожать или усиливать друг друга, например, при отражении, и это именно то свойство, по которому волну всегда можно безошибочно отличить от потока частиц.

Еще одно свойство волны, которое отличает ее от частиц, — дифракция — состоит в ее способности огибать препятствия, если его размеры соизмеримы с длиной волны. Если препятствие невелико, то благодаря дифракции волна может разделиться, обойти его и, складываясь снова, усилить или погасить себя точно так же, как при сложении прямой и отраженной волн.

Именно таким способом, обнаружив интерференцию и дифракцию у рентгеновского и других видов излучения, установили, что все они — волны, только разной длины. Длина волны излучения и есть тот основной признак, по которому мы количественно различаем разные виды электромагнитного излучения. Наибольшая длина у радиоволн: от нескольких километров до нескольких сантиметров. У тепловых лучей она короче — от 1 до 10^-2 см. Еще короче волны видимого света, примерно 4∙10^-5—8∙0^-5 см. Наконец, у рентгеновских лучей длина волны составляет лишь 10^-7 — 10^-8 см. Все виды излучения распространяются с одной и той же скоростью — со скоростью света с = 3∙10¹⁰ см/с. Отсюда по формуле ν=c/λ очень просто вычислить частоту каждого вида излучения. Очевидно, для рентгеновского излучения она будет наибольшей, а для радиоволн — наименьшей.

Очень важно отдавать себе отчет в том, что, конечно, любое излучение — это не синусоида, изображенная на рисунке, а физический процесс, основные характеристики которого (например, периодичность), по счастью, можно выразить на языке таких простых моделей. У каждого вида излучения свои особенности. Сосредоточимся пока на том его виде, который для нас наиболее важен и привычен,— на солнечном излучении.

Когда вы греетесь на солнце, вы, наверное, не задумываетесь о сложном составе солнечного излучения, хотя иногда солнечные ожоги и напоминают вам об этом. Исаак Ньютон (1643—1727) жил в Англии, где солнце светит не так уж ярко, тем не менее он захотел узнать, из чего состоит солнечный свет. Чтобы выяснить это, Ньютон поставил в 1666 г. опыт, знакомый теперь каждому школьнику: пропуская луч солнца сквозь призму, он обнаружил позади нее на стене радугу — спектр солнечного света. Впоследствии его соотечественник Томас Юнг (1773—1829) выяснил, что каждому цвету радуги-спектра соответствует своя длина волны солнечного излучения: самые длинные волны у красного цвета — 650 нм; у зеленого короче — 520 нм; еще короче у фиолетового — 400 нм (1 нм = 10^-7 см).

Спектр излучения любого тела — будь то Солнце или раскаленный железный лом — полностью известен, если мы, во-первых, знаем, из каких волн он состоит и, во-вторых, какую долю они составляют в общем потоке излучения. В частности, цвет раскаленного тела определяют те волны, которых больше всего в спектре его излучения. При изменении температуры тела спектральный состав его излучения также меняется. Пока температура тела невысока, оно излучает, но не светится, то есть испускает только тепловые волны, невидимые для глаза. При повышении температуры оно начинает светиться: сначала красным, затем оранжевым, желтым и т. д. цветом. Например, при температуре 6000 °C больше всего излучается желтых лучей (именно по этому признаку определили температуру поверхности Солнца).

В конце прошлого века законы теплового излучения тел стали предметом пристального внимания ученых. В значительной мере это было обусловлено потребностями металлургии и, в частности, изобретением в 1856 г. Генрихом Бессемером (1813—1898) нового способа производства стали, получившего впоследствии название бессемеровского.

Спектральный состав излучения принято описывать с помощью спектральной функции u(v,T), которая показывает, чему равна доля излучения с частотой v в его общем потоке при заданной температуре тела Т. Типичная спектральная функция u(v,T) изображена на рисунке: примерно так выглядит спектральный состав излучения Солнца.

При попытке более детально изучить законы теплового излучения вначале нужно было принять во внимание тот факт, что даже при одной и той же температуре спектр излучения и, следовательно, спектральная функция u(v,T) зависят от вещества нагретого тела. В этом нетрудно убедиться, нагревая в темноте два одинаковых по размеру шара — каменный и стальной: первый из них будет светиться намного ярче. Вскоре выяснили, однако, что если вместо сплошных шаров нагревать полые, а их излучение наблюдать через небольшое отверстие в стенке шара, то спектральный состав этого излучения уже не будет зависеть от вещества шара. Такой спектр назвали спектром абсолютно черного тела. Происхождение этого несколько необычного названия легко понять. Представьте, что вы не нагреваете шар, а, наоборот, освещаете его снаружи. В этом случае вы всегда увидите перед собой одинаково черное отверстие — независимо от вещества шара, поскольку почти все лучи, попавшие внутрь полости, многократно в ней отражаются и наружу практически не выходят.

Универсальная спектральная функция и(v,Т), описывающая спектр излучения абсолютно черного тела, была введена в научный обиход выдающимся немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом (1824—1887) в 1859 г. Измерить ее оказалось не так просто: это удалось лишь Сэмюэлю Лэнглею (1834—1906), который в 1884 г. изобрел болометр — прибор для измерения энергии излучения. Важность функции u(v,T) поняли сразу же, но в течение 40 лет не удавалось найти для нее теоретическую формулу, которая бы правильно воспроизводила результаты измерений. Однако попытки эти никогда не прекращались: по-видимому, поиски абсолютного всегда привлекательны для человеческого ума.

КВАНТЫ

В самом конце прошлого века Макс Планк (1858—1947), как и многие до него, искал универсальную формулу для спектральной функции и(v,Т) абсолютно черного тела. Ему повезло больше, чем другим,— вначале он ее просто угадал, хотя явилась она ему не вдруг: два года напряженных размышлений потребовались Планку, чтобы скрепить в одной формуле разрозненные куски единой картины явления теплового излучения.

19 октября 1900 г. происходило очередное заседание Немецкого физического общества, на котором экспериментаторы Генрих Рубенс (1865—1922) и Фердинанд Курлбаум (1857—1927) докладывали о новых, более точных измерениях спектра абсолютно черного тела. После доклада состоялась дискуссия, в ходе которой экспериментаторы сетовали на то, что ни одна из теорий не может объяснить их результаты. Планк предложил им воспользоваться своей формулой. В ту же ночь Рубенс сравнил свои измерения с формулой Планка и убедился, что она правильно, до мельчайших подробностей описывает спектр абсолютно черного тела. Наутро он сообщил об этом своему коллеге и близкому другу Планку и поздравил его с успехом.

Однако Планк был теоретик и потому ценил не только окончательные результаты теорий, но и внутреннее их совершенство. К тому же он не знал еще, что открыл новый закон природы, и верил, что его можно вывести из ранее известных. Поэтому он стремился теоретически обосновать закон излучения, исходя из простых посылок кинетической теории материи и термодинамики. Последовало два месяца непрерывной работы и предельного напряжения сил. Ему это удалось. Но какой ценой!

В процессе вычислений он вынужден был предположить, что энергия излучения Е испускается порциями (или квантами), которые определяются формулой

E = hv,

где v — частота излучения, а мировая константа h называется с тех пор постоянной Планка. В этом — и только в этом — случае удавалось вывести правильную формулу для спектральной функции и(v,Т).

Формально предположение Планка было предельно ясным и простым, но по существу противоречило всему прежнему опыту физики и годами воспитанной интуиции. Вспомните, мы много раз подчеркивали, что излучение — это волновой процесс. А если так, то энергия в этом процессе должна передаваться непрерывно, а не порциями — квантами. Это неустранимое противоречие Планк сознавал как никто другой. Когда он вывел свою знаменитую формулу, ему было 42 года, но почти всю остальную жизнь он страдал от логического несовершенства им же созданной теории. У последующих поколений физиков это чувство притупилось: они уже знали готовый результат и перестали над ним задумываться. Но сам Планк был воспитан на традициях классической физики и целиком принадлежал ее строгому неторопливому миру. А вышло так: разрешив многолетнюю проблему в теории излучения, он нарушил тем самым логическую стройность классической физики. Для Планка это было большим потрясением. Вновь и вновь он задавал себе один и тот же вопрос: «Не слишком ли дорогой ценой достигнуто решение этой, в сущности, очень частной проблемы?» Двадцать лет спустя в докладе, который Планк произнес по случаю вручения ему Нобелевской премии по физике, он вспоминал, что в то время признание реальности квантов было для него равносильно «нарушению непрерывности всех причинных связей в природе». И даже в 1933 г. в письме к Роберту Вуду он назвал свою тогдашнюю гипотезу «актом отчаяния».

Ощущение произвола, которое испытывает неискушенный человек при первом знакомстве с формулой Планка и с историей ее открытия, на самом деле обманчиво. Гипотеза о квантах — не результат умозрения, она возникла как следствие тщательного анализа и обобщения точных опытов. Конечно, чтобы придумать ее, одного анализа мало: необходима еще и сила мысли, и взлет фантазии, и смелость перед лицом неожиданных предсказаний теории.

Ученые Рэлей, Джинс, Вин и до Планка предлагали различные формулы для описания спектра абсолютно черного тела. (Среди этих попыток следует вспомнить и работу Владимира Александровича Михельсона (1860—1927), которая решительным образом повлияла на направление исследований Вина.) Но каждый раз экспериментаторы Отто Люммер (1860—1925) и Эрнст Принсгейм (1859—1917) после тщательных измерений решительно отвергали их как несовершенные. Только формула Планка удовлетворила ученых: она поразительно совпадала с результатами опытов, хоть и не становилась от этого более понятной. Только четверть века спустя новая наука — квантовая механика — объяснит истинный смысл революции, которую, подчиняясь логике научного исследования и во многом вопреки своей воле, совершил в физике Макс Планк.

В пятницу 14 декабря 1900 г. в зале заседаний Немецкого физического общества родилась новая наука — учение о квантах. Сухо и обстоятельно ординарный профессор физики Макс Карл Эрнст Людвиг Планк прочел перед небольшой аудиторией сугубо специальный доклад «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре». В тот день мало было людей, которые понимали величие момента: плохая погода или логические противоречия теории, вероятно, занимали аудиторию больше. Признание пришло потом, и лишь много позже осмыслили значение постоянной Планка для всего атомного мира. Она оказалась очень маленькой:

h=6,626075·10^-27 эрг∙с,

но именно она открыла дверь в мир квантовых явлений. И всегда, когда мы из мира привычного и классического хотим перейти в мир необычный и квантовый, мы должны пройти через эту узкую дверь.

ВОКРУГ КВАНТА До и после Демокрита

Корни и истоки идей атомизма до сих пор остаются загадкой для историков науки, хотя некоторые факты можно считать вполне надежно установленными. Индийский мудрец Канада, что в переводе означает «пожиратель атомов», жил задолго до Демокрита. В VII веке до н. э. он основал философско-религиозное учение, в котором понятие атома было основным. Согласно Канаде, познание достигается при посредстве шести положительных категорий: субстанция, действие, различие, внутренняя связь, качество и общность. Субстанция, в свою очередь, существует в девяти видах: пяти материальных (земля, вода, воздух, свет, эфир) и четырех нематериальных (время, пространство, душа, сознание). Пять материальных видов субстанции построены из атомов, мельчайшая частичка в природе — это пылинка в солнечном луче: она состоит из шести атомов, причем каждые два соединены попарно «волею бога или еще чем-либо».

При всей наивности конкретных представлений об атомах следует отдать должное четкости постановки самой проблемы и тщательности выделения философских категорий. В частности, Канада отчетливо понимал, что «о существовании атомов мы узнаем не восприятием, а рассуждением», и приводил пример таких рассуждений: если бы материя была делима до бесконечности, то не было бы качественного различия между горой и горчичным зерном, ибо «бесконечное всегда равно бесконечному».

Знал ли Демокрит об учении Канады? Вполне вероятно: он много и долго путешествовал и, по некоторым свидетельствам, посещал Индию. Был ли он в таком случае оригинален? Несомненно. Чтобы убедиться в этом, достаточно представить себе разницу эпох, в которые жили оба мыслителя, различие традиций, духовного склада и стиля мышления Востока и Запада.

Среди предшественников Демокрита называют также финикиянина Мосха Сидонского, жившего в XII веке до н. э., во времена Троянских войн, и учителя Демокрита Левкиппа из Милета. О сути учения Мосха ничего достоверного не известно, но если история на протяжении более трех тысячелетий сохраняет имя человека, который не был ни царем, ни полководцем, то, похоже, он действительно оставил после себя

нечто важное, хотя и утраченное впоследствии. О Левкиппе не известно практически ничего: ни время его рождения, ни труды, написанные им. Аристотель называет Демокрита учеником-другом Левкиппа и повсюду упоминает учителя в связи с его учеником. История сохранила эту традицию.

Учение Демокрита воспринял и умножил античный философ Эпикур (341—270 гг. до н. э.), который оставил после себя школу, или, точнее, братство единомышленников, просуществовавшее около шести веков. Труды Эпикура точно так же, как и трактаты Демокрита, не сохранились, и о его естественно-научной философии мы узнаем теперь из поэмы римского поэта и философа Лукреция.

Тит Лукреций Кар

Знаменитая поэма Лукреция «De rerum natura» — «О природе вещей», как и многие достижения древности, была забыта на много веков и лишь в 1473 г. напечатана в Италии. С тех пор ученые и философы не устают удивляться ей. Причин тому две: во-первых, это единственное систематическое изложение учения материалистов античности, оригиналы трудов которых утрачены, по-видимому, навсегда; во-вторых, это первый известный и законченный образец научно-художественного жанра, как мы его теперь понимаем.

Лукреций был не только истинным поэтом, он был поэтом-мыслителем и обладал редкой способностью превращать отвлеченные абстракции философского мышления в зримые и чувственные образы.

Как ему это удавалось, дают представление приведенные ниже отрывки из его поэмы.

«...Выслушай то, что скажу, и ты сам, несомненно, признаешь,

Что существуют тела, которых мы видеть не можем.

Ветер, во-первых, морей неистово волны бичует,

Рушит громады судов и небесные тучи разносит,

Или же, мчась по полям, стремительным кружится вихрем...

Стало быть, ветры — тела, повторяю, незримые нами,

Раз и по свойствам они, и по действиям могут сравниться

С водами мощными рек, обладающих видимым телом.

Далее, запахи мы обоняем различного рода,

Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают.

Также палящей жары или холода нам не приметить

Зреньем своим никогда, да и звук увидать невозможно.

Но это все обладает, однако, телесной природой,

Если способно оно приводить наши чувства в движенье:

Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может.

И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,

Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;

Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,

Как и не видно того, как она исчезает от зноя.

Значит, дробится вода на мельчайшие части,

Что недоступны они совершенно для нашего глаза.

Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальце

Носится, из году в год становится тоньше и тоньше,

Капля за каплей долбит, упадая, скалу; искривленный

Плуга железный сошник незаметно стирается в почве;

И мостовую дорог, мощёную камнями, видим

Стертой ногами толпы; и правые руки у статуй

Бронзовых возле ворот городских постепенно худеют

От припадания к ним проходящего мимо народа.

Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,

Но отделение тел, из нее каждый миг уходящих,

Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво».

«...Если не будет, затем, ничего наименьшего, будет

Из бесконечных частей состоять и мельчайшее тело:

У половины всегда найдется своя половина.

И для деленья нигде не окажется вовсе предела.

Чем отличишь ты тогда наименьшую часть от вселенной?..»

«...Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный луч проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света...

Знай же: идет от начал всеобщее это блужданье.

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться

Сами к движенью, затем понуждая тела покрупнее.

Так, исходя от начал, движение мало-помалу

Наших касается чувств, и становится видимым также

Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит...»

Ньютон об атомах

«Мне кажется вероятным, что Бог вначале создал материю в виде сплошных, массивных, твердых, непроницаемых, движущихся частиц таких размеров и форм и с такими другими свойствами и в таких пропорциях к пространству, которые наилучшим образом служат той цели, для которой Он их создал, и что эти простейшие частицы, будучи твердыми, несравненно прочнее, чем любые другие тела, составленные из них; даже настолько прочны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски: никакие обычные силы не в состоянии разделить то, что Бог создал сам в первый день творения...»

«Мне кажется очевидным, что эти частицы имеют не только свойство инерции вместе с такими пассивными законами движения, которые естественно следуют из этих сил, но что они движутся согласно определенным действующим принципам, подобным гравитации, и которые являются причиной возбуждения и сцепления тел. Эти принципы я рассматриваю не как оккультные качества, предположенные для того, чтобы вывести результаты, исходя из специфических форм вещей, но как общие законы природы, которым обязано само существование этих вещей; их достоверность очевидна нам через явления, хотя их причины пока что не открыты».