Вероятностный мир

Глава четвертая.Дорога во тьме.

Вполне логично говорить, что научное открытие уменьшает область неизвестного. Но не менее логично утверждать, что она при этом увеличивается. По вине самого открытия и увеличивается. Когда человек идет в гору, веред ним все раздвигается горизонт, но и все протяженней становятся земли, лежащие за горизонтом.

Об этом давно замеченном свойстве научного прогресса прекрасно сказал однажды Луи де Бройль:

Когда в феврале 1955 года де Бройль разворачивал эти мысли–ощущения в лекции «По тропам науки», ему было уже далеко за шестьдесят. Он знавал радость глубоких догадок, драматические кризисы, годы бесплодия. В полулитературной, полунаучной аудитории Музея Гиме, возможно, лишь немногие знали о дебройлевской драме идей, которая как раз тогда разыгрывалась — что бывает редко — повторно. Но все со вниманием слушали ветерана квантовой революции, одни чувствуя, другие сознавая его право на возвышенный образ «таинственной опушки леса Неведомого»: была на этой опушке им расчищенная пядь земли.

То, что так велеречиво высказал ученый, суховато выразил писатель:

Узнается почерк Бернарда Шоу: раз уж общепризнанно, что на стороне науки всегда есть доказанная правота, ему нужно было убедить нас в обратном — она всегда не права.

Он подумал о науке в момент ее торжества — в момент открытия, когда она и вправду безоружна перед лицом новых «почему», обращенных ею же самой к чуть поредевшему лесу Неведомого. Нет у нее покуда ответов на эти новые «почему», которых никто и не задавал бы до состоявшегося открытия. И она в очередной раз «оказывается неправой» именно на гребне успеха. И чем масштабней открытие, тем более «неправой» оказывается она: тем больше вопросов приводит оно с собой.

Как с открытиями Планка, Эйнштейна, Резерфорда; это случилось и с квантовой теорией атома.

После хансеновского беспомощного «а я не знаю, так ли это» первые и самые глубокие недоумения высказал Резерфорд. То, что — первые, естественно: конечно, ему Бор послал на одобрение свою рукопись. Ему поспешил сообщить о спасении планетарной модели. Но то, что недоумения Резерфорда были еще и самыми глубокими, может показаться неожиданным: он ведь не числился «чистым теоретиком» и даже любил подтрунивать над такими теоретиками. Он говаривал, что они «ходят хвост трубой», и насмешливо уверял, что «мы, экспериментаторы, заставляем их поджимать хвосты».

Однако планетарная модель была его теоретическим детищем, и можно ли сомневаться, что он сам перепробовал немало путей ее спасения. Безуспешность попыток донельзя обострила его критическое чутье. Ответ на рукопись Бора последовал немедленно. И там были поразившие Бора строки:

Так впервые — в частном письме — прозвучало подозрение: а не приписывает ли квантовая теория «свободу воли» этой неодушевленной крошке — электрону?

…Останутся позади полтора десятилетия. Достигнет кульминации эпоха бури и натиска. Ожесточатся философские столкновения вокруг квантовых идей. То, что звучало осторожным вопросом в устах великого физика, вырастет до грозного обвинения в устах научных публицистов. «Свобода воли электрона» будет раздраженно обсуждаться теми, кого выведет из равновесия новое физическое миропонимание. А оно их выведет из равновесия своим покушением на классическую однозначную причинность, чье всевластье в делах природы наука прежде только подтверждала. И эта же мнимая «свобода воли электрона» совсем уж по ошибке обрадует мистиков, которым ни к чему никакая причинность — ни однозначная, ни вероятностная, а по душе лишь беспричинность и невероятность воображаемых явлений.

Но право же, Резерфорд и его письмо к Бору тут будут ни при чем. До 1939 года — четверть века с лишни — это письмо вообще не публиковалось…

Резерфорд задал вопрос физический и недоумение высказал тоже физическое. И был прав: у Бора получалось нечто в высшей степени странное. Пусть у электрона есть выбор возможностей, и он использует одну из них — перескакивает с далекой орбиты на какую–нибудь нижнюю. От глубины падения зависит энергичность испускаемого при этом кванта — его световая частота или цвет. Значит, в момент начала перескока все определяет его конец — размах скачка. По дороге частота излучения измениться уже не сможет — всякий квант одноцветен (монохроматичен, как говорят физики). Иными словами, электрону надо заблаговременно облюбовать одну из нижних орбит — заранее рассчитать, «где он собирается остановиться». Выходило, что он делает словно бы свободный выбор — загодя решает свою квантовую судьбу!

Резерфорд был прав и в своей уверенности, что Бор «полностью сознает» эту трудность понимания его построения. Но что было делать Бору? Он очутился совершенно в том положении, в каком пребывал Резерфорд двумя годами раньше, когда предложил классически невозможную планетарную модель.

Новозеландец в 1911 году положился на будущее решение проблемы устойчивости его модели. Вот оно пришло. Но теперь в 1913 году датчанину, в свой черед, приходилось полагаться только на будущее оправдание выдвинутых им спасительных идей, ибо и они оказались в разладе с классическим здравым смыслом.

Правда, кое–что Бор попытался найти для самооправдания уже тогда…

Ему пришлось отправиться в Манчестер вслед за своею рукописью, чтобы отстоять ее от критики Резерфорда. И когда много лет спустя он рассказывал об отношении манчестерского Папы к его идеям, первое, что приходило ему на память, в точности повторяло слова из давнего резерфордовского письма. Так, Бор пересказал их и в своем ответе московским физикам, когда весной 1961 года в последний раз к нам приезжал:

Однако крайне интересно — и ради этого–то стоило здесь повторить недоумение Резерфорда, — что Бор добавил:

Молодому Бору думалось, что он выбрал психологически безошибочный научный довод, дабы обезоружить Резерфорда. «Отношение ветвления» — странный феномен в явлениях радиоактивности — был отлично знаком Папе, А заключался этот феномен в том, что иные из радиоактивных элементов распадались двояким способом. Из одной точки вырастали две ветви радиоактивных превращений. Так, в семействе урана две ветви шли от радия–C: малая доля атомов этого элемента переживала альфа–распад, а большая доля переживала бета–распад. В среднем 3 атома из 10 000 превращались в теллур, а 9997 — в полоний. Другими словами, каждому атому радия–C природа предлагала на выбор две судьбы. И в совершенно одинаковых условиях его ядро как бы заранее решало, что ему испустить: альфа–частицу или бета–частицу? Наблюдались и другие случаи двоякого распада, с другим «отношением ветвления» между альфа–долей и бета–долей… Резерфорд, зная это, недоумения не выражал.

А было это и впрямь до чрезвычайности похоже на выбор, стоящий перед атомом при излучении света: какой квант испустить — красный или синий? Или, по–другому: какую орбиту покинуть электрону и на какой остановиться? Вдобавок спектральные линии своей разной яркостью отчетливо показывали, что одни кванты испускаются чаще, другие реже, совершенно так же, как в точках ветвления на древе радиоактивных превращений атомные ядра предпочитают один тип распада другому.

Для оправдания теории хорошая была параллель. Но провинность не умаляется тем, что прежде была совершена такая же. Параллели не объясняют, а только разъясняют. Они делают непонятное рельефней, однако ценой его удвоения: к исходной непонятности добавляют новую — того же свойства.

Но это–то для Бора и было важнее всего — того же свойства! В разных сферах жизни атома — в поведении ядра и в поведении электронов — проступает общая черта. Она противоречила классическому ожиданию одинакового поведения в одинаковых условиях. Но оттого что прецедент удваивался, в незаконном открывалось таинственно закономерное. Хоть и «таинственно», да все–таки закономерное…

Психологически, молодой Бор не ошибся: параллель с радиоактивностью, не отменив недоумения Резерфор–да, помогла ему смириться со странностями квантового спасения планетарной модели, по крайней мере в одном пункте. Но был еще второй.. .

Теоретическое исследование датчанина началось в Манчестере почти год назад с одобрения Резерфорда. Потом свое вдохновляющее одобрение он высказывал в письмах. А теперь, в марте 13–го года, прочитав законченную работу Бора, Папа должен был препроводить ее со своей рекомендацией в «Философский журнал». Меж тем он увидел, что вызывает сомнения разумность самих основ этой работы. Нечто посерьезней «свободы воли» электрона обеспокоило Резерфорда. Бор прочитал в его письме:

Действительно, на орбитах электроны–планеты двигались вокруг солнца–ядра по законам классической механики, а между орбитами излучали свет по квантовому закону Планка. В одной картине сочеталось несочетаемое: классическая непрерывность и квантовая прерывистость.

Чуть позднее Резерфордов друг Вильям Брэгг пошутил, что теория Бора предложила физикам пользоваться по понедельникам, средам и пятницам классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми. Математически все выглядело исправно, а физически двусмысленно.

Как уязвима была та первая квантовая картина атома!

Почтеннейший геттингенский спектроскопист профессор Карл Рунге позволил себе высказаться так: «Теперь спектроскопическая литература будет навсегда загрязнена ужасными вещами». (В одном он был прав: навсегда!) А о самом Боре он отозвался еще благозвучней: «Этот субъект положительно сошел с ума!» Зять Карла Рунге, известный математик Рихард Курант, подружившийся в ту пору с копенгагенцем, не рисковал пересказывать ему все, что срывалось с языка возмущенного тестя. И полвека спустя историки физики услышали от Куранта–старика гораздо больше, чем слышал в свое время от молодого Куранта молодой Бор.

А когда осенью того же 13–го года на ученом заседании в Англии попросили выразить свое мнение о квантовой теории атома могучего классика лорда Рэлея, тот с улыбкой уклонился от предложенной чести:

Покоряюще тонко было сказано, а все–таки Рэлей принял участие в той дискуссии, сам не заметив этого. В его речи прозвучали еще и такие слова:

Выяснилось, между прочим, что для отрицания «новейших идей» вовсе не обязательно быть шестидесятилетним. Не обязательно быть даже старше того, кто их провозгласил. Отто Штерн был на три года моложе Бора, и ему исполнилось в 13–м году лишь двадцать пять, а он тогда поклялся, что «бросит физику, если эта нелепость окажется правдой». (Так он впоследствии говорил своему ученику Отто Фришу.)

В те же осенние дни 13–го года, когда сказал свое слово стареющий Рэлей, на другом ученом заседании — не в Англии, а в Швейцарии — всего только тридцатичетырехлетний Макс Лауэ, недавний ассистент Планка, откликнулся на теорию Бора короткой репликой: «Это вздор!.. Электрон на орбите должен излучать!» К счастью, случившийся на том же цюрихском заседании Эйнштейн не оставил реплику коллеги без столь же короткого возражения: «Нет, это замечательно! И что–то кроется за этим…» А Эйнштейну тоже было тридцать четыре. Так что снова видно: возрастные обобщения всегда ненадежны. Решает что–то другое…

Ничего более громкого, чем «это очень остроумно», Резерфорд в момент появления теории Бора не сказал. Но наверняка, подобно Эйнштейну, подумал: «Что–то кроется за этим!» Хотя примчавшийся в Манчестер двадцативосьмилетний датчанин не сумел в многочасовой дискуссии развеять ни одно из его сомнений, Папа благословил ту работу и препроводил ее в печать.

Это был акт широты и терпимости. Тем более удивительный акт, что Резерфорд никогда не давал ходу исследованиям, если они казались ему недостаточно достоверными. Да, конечно, он почуял за постулатами Бора некую высшую достоверность, которой еще предстояло раскрыться. По собственному опыту он знал, что без широты и терпимости науке не жить!

В час той же первой публичной дискуссии о квантовом истолковании атома, когда Рэлей произнес крылатую фразу о шестидесятилетних, слово попросил только–только ставший шестидесятилетним Лоренц. Он полюбопытствовал: «Как объясняется атом Бора с точки зрения механики?» Многие сочли этот вопрос язвительным, но язвительность не вязалась с образом Лоренца.

Бор понял: с тем же нелукавящим прямодушием, что и Резерфорд, Лоренц спрашивал о наиглавнейшем — о логической связи между квантовыми постулатами и классической механикой. Нуждались в механической расшифровке две вещи: существование в атоме лишь прерывистой последовательности разрешенных орбит и скачки электронов с орбиты на орбиту. Что мог ответить Бор?

Квантовые постулаты не выводились из классики. Иначе они не были бы, во–первых, постулатами, во–вторых, квантовыми.

Хотя паутина дозволенных орбит и скачки с испусканием квантов равно чужды классической картине природы, для нашего воображения есть ощутимое различие между этими образами. Первый, в общем–то, легко представить, а второй совершенно непредставим. Неважно, что орбиты незримы: мысленно мы их легко прочерчиваем одну за другой в пространстве атома — так же, как пути планет в пространстве Солнечной системы. Это застывающий в неподвижности геометрический образ. А скачок — образ движения: он требует от нас рисовать себе процесс перемещения электрона между орбитами. Казалось бы, и это так просто! Но на нашу беду, скачки в теории атома — квантовые. И это превращает простое в невозможное. Наше воображение пасует.

У квантовых скачков есть начало и конец, а середина — самый процесс перескока — проваливается для обычного механического описания. Оно неосуществимо: делить квантовый скачок на более мелкие, а те на еще более мелкие, чтобы проследить течение этого события, запрещается сутью дела. Это ведь было бы попыткой дробления кванта на части — на все меньшие квантики излучения. Иными словами, это стало бы разрушением самой идеи неделимых квантов энергии. И атом, где овеществлялось бы такое дробление, излучал бы свет непрерывно. Его спектр выглядел бы сплошным, а не линейчатым.

Впервые физика столкнулась с физическими событиями, у которых нет механической истории. И вместе с классической механикой наше воображение отказывается служить нашей мысли. Недаром же много лет спустя после рождения теории Бора Лев Ландау сказал, что квантовые идеи оказались еще более «дикими», чем идеи теории относительности.

Так что же мог ответить Нильс Бор в 1913 году на вопрос Лоренца? Логической связи с классикой не наблюдалось. С полной убежденностью Бор сказал только одно:

И на это уж нельзя было возразить.

А все–таки была точка пересечения, где сразу наметилась глубокая связь между классическими законами и квантовыми чертами в картине атома. Эта связь, названная Бором поначалу «соображениями сходства», стала потом содержанием его знаменитого принципа соответствия.

…У лестницы устойчивых уровней энергии в атоме было и сразу бросалось в глаза преинтереснейшее свойство: чем дальше от ядра, тем ниже делались ступеньки этой лестницы.

Человек, задравший голову у подножья ступенчатой мексиканской пирамиды, видит, как в вышине сходят на нет ее уступы. Но для него это — оптический обман по законам перспективы. На самом же деле все уступы одной высоты. А в атоме они действительно разные — убывание высоты ступенек по мере удаления к периферии атома не иллюзорное, но подлинное. Это показывают формулы и спектры.

Разница между соседними разрешенными уровнями энергии делается все менее заметной. Прерывистость в паутине орбит становится все менее ощутимой. Скачки с уровня на уровень — с орбиты на орбиту — оказываются все короче. В спектрах, отражающих эти скачки, частокол испускаемых линий все уплотняется. Линейчатый спектр начинает походить на сплошной, непрерывный, как если бы атом принимался излучать все световые частоты подряд.

Прерывность постепенно превращается в непрерывность.

Власть квантовых законов постепенно сменяется властью законов классических. Микромир переходит в макромир. Природа прекрасно демонстрирует свое физическое единство.

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

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

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

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

И ведь угадывали!

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

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

«Все ладится, но глубокие основы остаются неясными».

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

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

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

И еще так:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мудрено ли, что почти весь XIX век единовластно господствовала волновая теория. Корпускулярная отошла в историю.

Но наступил век XX. Он принес кванты Планка и световые частицы Эйнштейна… Что за притча — вновь возвращение на круги своя?

Точно предвидя, что это когда–нибудь случится, еще учитель Ньютона Исаак Барроу сказал:

Кажется, учитель был дальновиднее своего великого ученика? Но нет, С. И. Вавилов нашел и у Ньютона такие строки:

Видно, что Ломоносов напрасно повторил общепринятое тогда суждение о Невтоне, как ревнителе корпускулярной и противнике волновой теории света. Ньютон даже предложил конструктивный способ примирения несовместимых образов частицы и волны! Может быть, этот способ был бы и хорош, если бы в нем материя частиц не отделялась от материи волн. А то получалось, что выбрасывается светящимся телом нечто одно, колеблется же в пространстве нечто другое. И все–таки неизъяснимо приятно думать, что тут состоялась перекличка великих через века: из всех гениев классики, вероятно, Ньютон с наименьшим протестом и с наибольшим сочувствием встретил бы Эйнштейнову идею волн–частиц… (Пока, подобно Эйнштейну, не обнаружил бы вдруг, к каким непоправимым бедам для классической физики эта идея ведет.)

Точности ради надо сказать: когда в 1905 году Эйнштейн вновь открыл зачеркнутые XIX веком световые корпускулы, термин «волна–частица» у него еще не появился. Но появился этот странный образ: всякий квант содержал волновой признак — частоту колебаний и признак частицы — ограниченность в пространстве.

Этот двойственный образ воображение не осваивало. Логика — тоже. Проходило время, а положение не становилось легче:

Эйнштейн сказал это в 1924 году. И словно отвечая на немой вопрос читателя: «Так не следовало ли за два десятилетия придумать что–нибудь более удобоваримое?» — он добавил:

Уж кому–кому, а Бору эти слова должны были бы прийтись по душе! А между тем в том же 24–м году он не без сердитой досадливости сказал молоденькому Вернеру Гейзенбергу:

Полемически это было придумано блестяще. Но двойственность квантов излучения не делалась от этого выдумкой Эйнштейна. Будто тонкий психологический роман пишет свою историю познание природы. Бор не заметил, что его остроумный выпад только подчеркнул неизбежность такой немилой его сердцу двойственности излучения: он ведь допустил, что возможно окончательное доказательство реальности квантов как частиц без утраты их реальности как волн!

Он хорошо поступил, подчеркнув это неосознанно: тогда в его исканиях уже совсем близок был день совершенно осознанного признания правоты Эйнштейна. Не подозревая об этом, он, как герой в романе, психологически заранее подготовил себя к такому поступку. А для физики это имело чрезвычайные последствия…

День признания наступил в июле следующего — 1925–го — года. Серия опытов немецких экспериментаторов заставила Бора оставить надежду на избавление от двойственности квантов. И это, наконец, убедило его, что не Эйнштейн, а природа навязывает нам образ волн–частиц. В тот же час просветленного понимания Бор пророчески написал:

И еще одно событие в физике оказало тогда существенное влияние на копенгагенца. Произошло оно в Париже.

Глубокой осенью 1924 года в старинной Сорбонне была защищена диссертация — «Исследования по теории квантов». Для досужей университетской молвы диссертант был интересней диссертации: все знали, что тридцатидвухлетний Луи де Бройль — младший брат известного физика герцога Мориса де Бройля и носит еще более громкий титул принца (по–русски — князя). Кроме того, было весьма необычно, что в ранней юности — до недавней мировой войны — он уже получил заслуженное право на ученые звания сначала бакалавра, потом лиценциата литературы и истории. А теперь вот приобрел еще более заслуженное право на звание доктора в сфере естественнонаучных дисциплин.

Трудно удержаться от праздного упоминания, что род де Бройлей принадлежал к пьемонтской ветви французских Бурбонов. Эдакая королевская генеалогия у естественников–профессионалов вещь редчайшая, если не единственная. В многовековой череде военачальников, придворных, дипломатов — вдруг братья–физики, и младший из них — теоретик, осененный революционнейшей идеей! Точно решил он, тихий принц, живший тогда уединенно, экспериментально показать, что и в королевских фамилиях могут появляться люди, достойные стоять в одном ряду с отпрысками простых поморов (Ломоносов), провинциальных водопроводчиков (Гаусс), колониальных фермеров (Резерфорд).

И без тени преувеличения можно утверждать, что у этого дальнего родственника бесчисленных Генрихов и Людовиков обозначились истинно королевские заслуги перед наукой об устройстве природы. Впервые за девять столетий Бурбоны родили короля!..

Кроме досужих голосов, вокруг диссертации Луи де Бройля еще до ее защиты повели полемику иные — серьезные — голоса. Их отзвук услышал осенью 1923 года на 4–м конгрессе Сольвея академик Иоффе. Он рассказывал, как необычайно дружелюбный Поль Ланжевен — давний сотоварищ Резерфорда по докторантуре у Дж. Дж. Томсона — сообщил ему среди прочих научных новостей о работе одного своего ученика в Париже:

Каково признание: явному вздору — зеленая улица! Да еще почему? Только потому, что он красиво выражен, этот научный вздор… Привлекательны великодушие и терпимость! Но Поль Ланжевен немножко лукавил: выдающийся исследователь, он в глубине души наверняка был уверен, что чепуху нельзя развить с изяществом и блеском. Красота теории была порукой, что в ее глубинах нечто истинное все–таки таится…

Вновь приходят на память слова Эйнштейна о теории Бора: «высшая музыкальность в области мысли». Наверное, он хотел сказать, что ложное построение не сумело бы стать гармоничным. А как раз внутренний механизм этого построения и попытался вскрыть Луи де Бройль.

Позднее, когда ему уже перевалило за шестьдесят и он начал выглядеть с точки зрения нового поколения молодых немножко старомодным революционером, где Бройль так объяснял, какой ход размышлений повел его в молодости к оправданию квантовой модели атома:

Интерференция! — это было равносильно мысли о вмешательстве какого–то волнового процесса в движение электрона по квантованным — избранным и перенумерованным — орбитам. Иными словами, в квантовой прерывистости де Бройль усмотрел отражение какого–то непрерывного протекания физических событий. Что же тут могло быть подоплекой?

Каждый, кто сиживал на морском берегу, не раз завороженно пересчитывал набегающие волны: одна, другая, третья… Но не каждый задумывался при этом над тем, что своим прерывистым счетом он описывает этапы непрерывного процесса.

А тиканье часов — пунктирные «тики–таки» — отсчитывает для нас непрерывные колебания маятника, отмеряющего время.

В колебаниях и волнах есть периодическая повторяемость одних и тех же состояний. И внешне это отражается в картине дробной смены таких состояний.

Де Бройль подумал, а не связан ли электрон с какой–то волной? Может быть, она ведет его или сопутствует ему? Или, хоть и непонятней, но проще: может быть, есть в нем самом нечто волнообразное? Если так, то в его поведении как частицы должно отражаться поведение связанной с ним волны.

Вот он летит по разрешенной орбите. Его движение по ней устойчиво — он ничего не теряет и ничего не приобретает. Устойчивость предполагает, что после каждого оборота вокруг ядра все в точности повторяется снова. Если бы мы засекли его в некоей точке орбиты, то через оборот он предстал бы перед нами в этой точке совершенно таким, каким был целый оборот назад. Но значит, и его таинственная волна должна в этой точке иметь тот же вид, какой имела она оборот назад: если был там гребень волны, то и будет гребень, а если была середина ската волны, то и будет середина ската.

Для того чтобы эта неизменность — эта устойчивость — соблюдалась, в орбите должно уменьшаться по ее длине целое число электронных волн. Обязательно — целое! Если это условие хоть чуть–чуть нарушится и возникнет маленький сдвиг — физики говорят «сдвиг по фазе», — то электрон очутится в нашей точке уже в ином состоянии, чем прежде. Устойчивость нарушится. Орбита окажется неразрешенной. Состояние атома — нестационарным.

Де Бройль уловил возможную причину странного разделения путей электрона в атоме на дозволенные природой и недозволенные. Дозволены лишь те орбиты, чья длина кратна длине волны электрона! Лишь по таким орбитам он может кружиться бессрочно, все возвращаясь и возвращаясь на круги своя.

Сразу объяснился образ паутины разрешенных орбит — прерывистость их череды: ближайшие друг к другу различаются по меньшей мере на целую длину электронной волны и между ними возникает кольцевой просвет.

Чуть осветилась и загадка квантовых скачков. Между орбитами электрону и впрямь невозможно обрести устойчивости — там нет планетных путей, кратных длине его волны. И он вынужден перескакивать через пропасть неустойчивости одним махом — без истории — без деления на скачочки…

Когда Поль Ланжевен говорил Иоффе, что идеи диссертанта развиты с блеском, он прежде всего имел в виду, как просто и красиво удалось де Бройлю получить ясную формулу для длины предполагаемой волны электрона. А удалось ему это с помощью теории относительности и квантовой теории.

Заранее можно было предречь, что тут не обойдется без постоянной Планка h — без кванта действия — без этого всеобщего масштаба малости в микромире. Де Бройль показал, что надо h разделить на массу и на скорость электрона, дабы узнать длину его волны. В самом деле, куда уж проще и красивей! Тотчас сосчитывалось, что у обычных «лабораторных» электронов — не слишком быстрых и не слишком медленных — длина дебройлевской волны такая же, как у рентгеновских лучей: она измеряется ангстремами.

Отсюда прямо следовало… Да, конечно, отсюда прямо следовало, что рентгеноскописты могли бы попробовать экспериментально убедиться: реальны электронные волны или нет? Теоретически провозглашенную двойственность электрона как частицы–волны или волны–частицы обязательно надо было установить на прямом опыте. Для защиты такой небывалой новости, уподоблявшей электроны квантам, то есть вещество — излучению, мало было выкладок на бумаге, сколь блестяще они ни выглядели бы.

Электрон–частица…

Электрон–волна…

Первое в доказательстве не нуждалось: более четверти века назад электрон и был открыт как частица.

Второе потребовало через четверть века с лишним переоткрыть электрон в новой (прежде никем еще не замеченной в эксперименте) волновой ипостаси.

Переоткрытие электрона произошло тремя годами позднее — в 1927 году, вершинном году квантовой революции. Нам еще предстоит подниматься на эту вершину. Но придется, обгоняя события, заглянуть туда на минуту, просто чтобы не прерывать рассказа о «волнах материи» на полуслове.

Так окрестили дебройлевские волны сами физики, И этот термин — «волны материи» — будоражил воображение современников. В картине природы снова появилось нечто непредставимое — некое «дрожание» вещества.

Исторически кажется непонятным, почему оно не было сразу же продемонстрировано экспериментально де Бройлем–старшим в его хорошо оборудованной частной лаборатории на улице Байрона. Это тем непонятней, что работа с рентгеновскими лучами была, как говорят французы, «спесиалитэ де ля мезон» — «специальностью дома». А счастливая близость длин электронных волн и рентгеновских определилась тотчас, едва только де Бройль–младший вывел свою красиво простую формулу. Недоумение возрастет еще больше, если вслушаться в его воспоминание, которым он поделился с историками сорок лет спустя — в январе 1963 года:

Стало быть, в лаборатории на улице Байрона все нужное для эпохального эксперимента было налицо — и приборы, и руководящая идея, и духовная атмосфера. А дело не сделалось!

Между прочим, именно там еще в довоенные времена, в 1911 году, Луи де Бройль — девятнадцатилетний бакалавр гуманитарных наук — пленился физическими исканиями старшего брата и познакомился со спорами вокруг квантовых идей. Морис де Бройль был секретарем 1–го конгресса Сольвея и привез тогда из Брюсселя материалы только что прошедших дискуссий. Юный Луи их читал и — соблазнился: теоретическая физика навсегда обратила его в свою веру. Но он занимался в лаборатории брата и экспериментами, да притом вместе с очень искусным Александром Довийе… Еще один повод для всевозрастающего недоумения.

Но, быть может, на улице Байрона попросту не до гадывались, как поставить нужные опыты и чего добиваться? Ах, нет, догадывались! Во время защиты «вздорной диссертации» член жюри Жан Перрен спросил: возможно ли опытное доказательство идеи диссертанта? Луи де Бройль с прозрачной ясностью ответил: электронные волны, пронизывая кристалл, должны давать такую же дифракционную картину огибания атомных узлов кристаллической решетки, какую дают лучи Рентгена…

Так что же в конце–то концов помешало переоткрыть электрон как волну еще в 24–м году — на три года раньше, чем это действительно произошло?

Страсти человеческие помешали — не их вдохновляющий накал, а прохладное равнодушие к журавлю в небе, когда мерещится синица в руках… Уже переваливший за семьдесят, Луи де Бройль рассказал историкам, что он тогда — в далекой молодости — предложил многоопытному Александру Довийе взяться за дело, однако встретил отказ! Тот был слишком занят экспериментами по телевидению, которые сулили…

Словом, обычный сюжет: абстрактным «волнам материи» немножко надмирного принца пришлось уступить черед исканиям здраво–практическим. Но расчетливость всегда нерасчетлива, когда в жертву ей приносится фундаментальное знание. Довийе взял бы назад свой отказ, узнай он в тот момент, что все будущее электронной микроскопии, квантовой электроники, да и всех квантовых чудес в нынешней технике пряталось в азбучных опытах, которыми он пренебрег. И уж, конечно, он поспешил бы за них приняться, скажи ему голос из будущего, что впереди его ждет Нобелевская премия. Позднее она по праву досталась американцу Клинтону Джозефу Дэвиссону и англичанину Джорджу Пейджету Томсону «за их открытие дифракции электронов в кристаллах», то есть в точности за то, что предложил открыть уверенный в своей правоте Луи де Бройль.

Журавли и синицы, небо и руки меняются в истории местами, не оповещая об этом заранее слишком здравомыслящих.

Дэвиссон и Томсон открыли волнообразность электронов независимо друг от друга в 1927 году. А потом выяснилось, что первый наблюдал электронную дифракцию еще шестью годами ранее — в 21–м, но не смог понять странную картину, получавшуюся при работе с электронами и никелевым кристаллом. Идея, что перед ним — волновая картина, Дэвиссона не осенила. Подтвердилась изумительно точная, уже знакомая нам мысль Эйнштейна, для многих звучащая почему–то как ересь: «Лишь теория решает, что мы ухитряемся наблюдать!»

Оттого что Дэвиссон в лаборатории телефонной компании Бэлла ухитрился наблюдать электрон–волну раньше, чем де Бройль ухитрился теоретически описать такую возможность, физике не повезло: уже воочию явившись как волна, электрон остался неузнанным на целых шесть лет!

А Джордж Томсон — сын старого Дж. Дж. — ставил в лаборатории Абердинского университета тонкие опыты, заранее зная, что он должен увидеть по теории де Бройля. И он сумел сфотографировать волновую картину поведения электрона… Так удивительно распорядилась история физики, что вся честь открытия электрона–частицы и наполовину честь открытия электрона–волны досталась одной ученой семье в двух ее поколениях.

Однажды — в середине 50–х годов — обсуждался даже интересный вопрос: а не было ли чистой случайностью, что корпускулярная природа электрона обнаружилась раньше волновой? И уж заодно: как повернулся бы весь ход развития физики микромира, если бы электрон как волна был открыт прежде, чем как частица? Тут простор для праздных гаданий. Но в такую дискуссию можно было бы внести шутливый вклад: для изменения очередности этих открытий в семье Томсонов отец и сын вынуждены были бы поменяться ролями, что противно законам природы.

Успех экспериментаторов в 1927 году заставил даже упорствующих скептиков оценить правоту де Бройля. И с необычной для Шведской академии быстротой ему уже в 1929 году была присуждена Нобелевская премия. (А Дэвиссону и Томсону пришлось почему–то ждать десять лет.)

На церемонии вручения награды французскому теоретику его представлял собравшимся шведский физик Карл Усен, к слову сказать, давний друг Нильса Бора и еще более давний сторонник квантовых идей. Прежде чем попросить Луи Виктора де Бройля «принять награду из рук нашего короля», Усен сказал:

В зале могли подумать, что профессор Усен сказал больше, чем позволяла суть дела: разве из волнообразности электрона следовала волнообразность всего сущего в вещественном мире?

Следовала! Суть дела в том и состояла, что по простой и красивой формуле де Бройля волнообразность являла собою неизбежное свойство всякой движущейся массы — совершенно независимо от того, чья это масса, электрона или целого атома, дробинки или земного шара… Так в легенде о рождении закона тяготения перед взором Ньютона могло падать на Землю вместо яблока все, что угодно: не имело значения, какою «вещью» была тяготеющая масса. И на самом деле Ньютон изучал не падение яблока, а подобное падению движение Луны… Карл Усен не преувеличил права мечтательного поэта — тот мог сказать о себе, не противореча физике: «Я — волна!» Тогда метафора принадлежала бы науке, а не поэзии.

Резонно возразить: да ведь это означает, что уже классическая механика с первых своих шагов и всегда имела дело не просто с физическими телами, но с кентаврами — «телами–волнами»? Разумеется, да!

Так, стало быть, была она непростительно слепа?

«Слепа» — это верно, а вот «непростительно» — совсем неверно. Она, старая механика, не замечала волнообразности вещества по той же причине, по какой веками не замечала возрастания массы тел с увеличением их скорости: по причине неуследимой малости этого эффекта. Формула де Бройля вместе с небывало новым знанием содержала безусловное оправдание всех экспериментаторов прежних времен.

Могли ли астрономы почуять дебройлевское «дрожание» земного шара? Для ответа — чуть–чуть арифметики…

Помните, длина дебройлевской волны получается при делении постоянной Планка h на массу и скорость тела. Чем больше масса, тем короче волна. Пусть скорости Земли и электрона будут одинаковы. Тогда для земного шара длина волны будет во столько же раз короче электронной волны, во сколько Земля массивней электрона. А цифры такие:

Земля — примерно — 6 · 10⁺²⁷ граммов,

Электрон — примерно — 10^–27 грамма.

Значит, Земля массивней в 6 · 10 ⁵⁴ раз.

Ну а электронные волны, измеряемые ангстремами, имеют длину, сравнимую с атомными размерами. Стало быть, надо размеры атома разделить на число с 54 нулями, дабы получилась длина дебройлевской «земной волны». Непредставимо физическое событие, в котором такая ничтожная малость могла бы подать о себе весть!

Столь же призрачной была волнообразность и того шведского поэта, что имел теоретическое право на метафору: «Я — волна!» Вообразим его могучим здоровяком весом около центнера — 10 ⁵ граммов. Тогда был бы он массивней электрона в 10³² раз. А его дебройлевская волна такое же количество раз умещалась бы в поперечнике атома. Единица с тридцатью двумя нулями! Снова: вообразим ли эксперимент, в котором можно было бы засечь протяженность, равную эдакой доле атомных размеров?! И потому предложенная Карлом Усеном метафора все–таки принадлежала поэзии, а не физике.

…Все началось с планетарной модели — со сравнения атома с Солнечной системой. А теперь можно позволить себе обратное сравнение — попробовать в Солнечной системе узреть черты квантовой атомной модели.

Если так, то планеты вращаются по разрешенным орбитам. А разрешены лишь те, в которых укладывается обязательно целое число «планетных волн» де Бройля. Для нашей Земли это означает, что две ближайшие дозволенные природой орбиты разнятся между собой на одну «земную волну». Кольцевой просвет меж ними и того меньше. В этот просвет не втиснуться ни атому, ни электрону, ни мультимиллионно–миллиардно–триллионной дольке электрона. Такой просвет не более реален, чем полное отсутствие просвета. Словом, эллипсы разрешенных земных орбит просто вплотную прилегают друг к другу, практически заполняя все пространство. Никакой прерывистости в череде дозволенных планетных путей нет. И уровни энергии взаимного притяжения Солнца и планет никакой лестницы не образуют. И думать о квантовых скачках с уровня на уровень совершенно бессмысленно (даже если бы планеты умели скакать, испуская кванты).

Что же получается? «Квантование» Солнечной системы по образу и подобию атома ничего не дает — ничего нового по сравнению с тем, что уже выведала классическая механика. Оттого она и не подозревала о тех новостях, какие принесли с собою «волны материи».

А в микромире, где так неощутимы массы физических телец, очень и очень ощутима их волнообразность. Не случайно, что она раскрылась на электроне: он — легчайшая крупица вещества в атомном обиходе.

Но и тяжелые частицы, созидающие ядра, — протоны и нейтроны, — тоже отчетливо выраженные микрокентавры. Их волновое поведение столь же броско дает знать о себе, как и корпускулярное. Они ведь всего в 2000 раз массивней электрона. Конечно, от этого их дебройлевские волны во столько же раз короче электронных: тысячные доли ангстрема, то есть что–то вроде 10^–11 см. Но хотя это и малая величина, она примерно в сто раз больше радиуса электрона–частицы— 10^–13см. И потому весьма солидна в масштабах микромира. Легко почувствовать важность «протонных волн» и «нейтронных волн» для верного описания событий в глубинах материи.

Разумеется, волнообразность ядерных частиц тоже была доказана прямыми экспериментами. И они, как электроны, прошли экзамен на дифракцию и интерференцию. Физик Демпстер, кажется, первым получил снимки кристаллов в протонных лучах. И подобно фотографии, рентгенографии, электронографии, возможна протонография. А нейтронография ныне — целая наука.

Все карликовое население микромира принадлежит к неисчислимым племенам микрокентавров. Кто–то из английских или американских физиков придумал даже занятный термин для микротелец — «уэйвиклс»: он соединил слова «уэйв» (волна) и «партиклс» (частицы). Очень выразительный термин. А по–русски его могли бы заменить даже два равнозначных словообразования в духе поэзии Велемира Хлебникова: «волницы» и «частолны».

Не надо объяснять, что все эти волницы или частолны, — заряженные и нейтральные, устойчивые и распадающиеся, прописанные в силовых полях и прописанные в веществе, открытые в атомных недрах и космических лучах, найденные на кончике пера теоретиками и создаваемые на гигантских ускорителях экспериментаторами, — все они, получившие в разное время и в классификациях по разным признакам звучные клички нуклонов, мезонов, гиперонов, лептонов, барионов, адронов, резонансов, фермионов, бозонов, фотонов, гравитонов, кварков, глюонов, — все они, заслужившие звание просто элементарных частиц и античастиц, странных и очарованных, — все они потребовали и поныне требуют для описания их поведения и свойств таких идей и образов, в каких никогда не нуждались долгие века познания природы…

И раньше всего остального надо было физикам создать механику волн–частиц — механику, отображающую эту врожденную двойственность всех «первооснов материи».

Вот что летом 1925 года осознал Нильс Бор, когда на пророчил близящуюся «решительную ломку понятий, на которых до сих пор было основано описание природы».

Но по удивительному стечению обстоятельств он не знал, что тем летом такая предсказанная ломка шла уже полным ходом.