Возвращение чародея

Масштабные эффекты

Признаться откровенно, я никогда не мог понять, почему все книги, стремящиеся рассказать доступно о том, что такое квантовая теория, теория относительности и другие трудные главы современной физики, не начинаются с объяснения, почему эти главы трудны для человека. Вероятно, хорошим введением в физику был бы рассказ о том, что ее трудности — следствие того, что она изучает вещи и явления, не похожие на человека и на привычный ему мир.

В самом деле, ведь человек — только часть природы, вполне конкретный сгусток материи, имеющий свои размеры, массу, диапазон скоростей и продолжительность существования. В известном смысле человек как бы сам собой измеряет окружающую Вселенную: инструменты, которыми он производит измерения, он создал в масштабах собственного тела. Мерки, применяемые человеком, — сантиметры, метры, километры, метры в секунду, секунды или часы — это всё такие мерки, которые, каждую в отдельности, легко представить (чуть ли не пощупать) и которыми, не пользуясь слишком большими числами и слишком дробными тоже, удобно измерять тела и явления нашей практики.

Но ведь мир, как все больше выясняется, много шире человеческих масштабов. Мир простирается и по ту, и по сю стороны человеческих ощущений: и в сторону титанических (с человеческой точки зрения) вещей, и в сторону предметов и явлений невидимок (назовем их так за невероятно малые размеры, короткие сроки жизни, быстрые скорости перемещения и т. д.).

Очередной балласт, который должен сбросить со своих плеч человек, чтобы правильнее понять природу, — это балласт «антропоморфности»: навязывания Вселенной на всех ее уровнях человеческих масштабов и закономерностей нашего мира.

Не сделав этого, человек немедленно даст волю тормозящим силам умственной инерции.

Увы, во власти такой инерции находятся еще очень многие.

До сих пор, например, не в диковинку встретить человека, любящего пофилософствовать на тему о повторяемости миров на разных уровнях. Мне пришло однажды письмо, в котором автор сочувственно цитировал слова известного английского астронома XVIII–XIX веков Вильяма Гершеля об обитаемости Солнца. «Я полагаю себя достаточно авторитетным в астрономии, — гордо говорил Гершель, — чтобы считать Солнце обитаемым миром. Его подобие остальным планетам Солнечной системы в отношении твердости, атмосферы и пересеченного характера поверхности, вращения вокруг оси, падения тяжелых тел — все это приводит к весьма вероятному предположению о том, что Солнце так же обитаемо, как и остальные планеты, и населено существами, органы которых приспособились к необычным условиям этого гигантского шара».

Ищут аналогию с земной жизнью и на другом конце масштабного спектра — в области микромира. В подобных случаях мне вспоминается знаменитое стихотворение Валерия Брюсова:

Гершель был великим астрономом, а Брюсов — образованным человеком своего времени. Но заблуждался и астроном, полагавший, что за необычайно яркой атмосферой Солнца находится непрозрачное, прохладное и очень твердое небесное тело, и поэт, размышлявший о цивилизации на электроне.

«Природа не похожа на матрешек», — сказал однажды известный французский физик-коммунист Поль Ланжевен. Он хотел выразить ту простую мысль, что переход от одного «мира» физики к другому не похож на простую смену масштабов, как это бывает при извлечении одной деревянной матрешки из другой. В физике такой переход обязательно связан с какими-то качественными изменениями. Это происходит потому, что природа многолика, и каждый ее «мир», обусловленный размерами тел или скоростями протекания процессов, имеет свое неповторимое лицо.

Представьте себе, что некая неведомая сила вдруг уменьшила вас в тысячу раз. Вам покажется, что вы попали на другую планету. Песчинки превратятся в каменные глыбы, трава — в непроходимый лес фантастических плоских деревьев с острыми вершинами, убегающими в бесконечность. Страшные, порывистые чудовища — муравьи — бросятся на вас и слопают в момент, если вы не успеете обрести свой обычный вид.

Одна и та же точка Вселенной — в пространстве и во времени — воспринимается по-разному существами, резко различающимися размерами. Одни увидят то, чего не видят другие; зато глаза первых будут закрыты на очевидное для вторых.

Возьмем другой пример. Нальем в стакан воды и перевернем его. Вода, конечно, выльется. Теперь опустим в воду стеклянную палочку и вынем ее. Что мы увидим? Несколько крупных капель одна за другой быстро скатятся и упадут, но последняя капля задержится и повиснет на палочке. Для третьего, столь же простого опыта воспользуемся пульверизатором. Струей воздуха превратим воду в тончайшую водяную пыль. Что же произойдет теперь с молекулами воды, совершенно одинаковыми с теми, что были и в первых двух случаях? Они не упадут на землю: образовавшиеся жидкие пылинки будут свободно парить в воздухе, не поддерживаемые никакими твердыми предметами.

Итак, налицо одни и те же физические тела — молекулы воды. Одни и те же силы действовали на них: силы тяжести, молекулярное сцепление, сопротивление воздушной среды (иначе говоря, сила трения воздуха). А результаты совершенно разные, потому что соотношения сил различались между собой. В одном случае преобладали силы тяжести, в другом — молекулярное сцепление, в третьем — сопротивление воздушной подушки. В конечном счете это привело к разным результатам.

Размер определяет круг явлений, в который попадает испытуемое тело. Хотя основные законы природы, разумеется, остаются неизменными на всех размерных уровнях, но соотношение между влияющими факторами настолько изменяется, что приходится говорить о разных «классах взаимодействий». Мы уже не имеем права сказать, что вода во всех случаях упадет на землю, если ее оставить без сосуда. Приходится оговаривать условие ее падения: когда поперечник занимаемого ею пространства соразмерен с величиной «сантиметр», иначе говоря, когда изучаемое тело принадлежит к миру, воспринимаемому человеком непосредственно при помощи своих органов чувств.

Сейчас для этого мира придумали особое название: «макромир», от греческого слова «макро» — «большой». Сюда относят все тела, начиная с больших молекул. Тысячелетиями люди в своей практике имели дело только с ним и даже не догадывались, что существуют иные круги явлений, обусловливаемые очень сильным изменением размеров. Даже Исаак Ньютон был убежден, что обнаруженные им законы механического движения и всемирного тяготения действуют на все тела совершенно одинаково и что они главенствуют повсюду, независимо от степени малости тел. Увы, он заблуждался. Но люди узнали об этом совсем недавно, какие-нибудь пятьдесят — шестьдесят лет назад. Узнали, лишь расколов атом и убедившись, что существует мир элементарных частиц, или, как его стали называть, «микромир» (от слова «микро», что значит «очень малый»).

Итак, «масштабный эффект» проявляет себя даже в пределах макромира — мира «видимых» вещей. Но, конечно же, он неизмеримо значительнее, когда мы с помощью тонких физических приборов или умозрительно обращаем взор в недра микромира, то есть мира молекул, ионов, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Там властвуют силы, незаметные или слабо заметные в макромире. А такая могучая причина процессов, которую мы уважительно называем всемирным тяготением, там исчезающе ничтожна. Как выяснилось, электростатическое отталкивание между двумя электронами в 4,17·10⁴² раз превышает гравитационное притяжение между ними! Неудивительно, что физики, изучающие атом, обычно пренебрегают силой тяготения, сбрасывают ее со счетов.

Проникновение человеческого сознания в микромир началось на стыке последних двух веков. Раздвинув створки этого мира, ученые приступили к выяснению действующих там законов. Постепенно была создана основная теория процессов микромира — квантовая механика. Примерно до середины 50-х годов XX столетия физики трижды спускались по ступенькам вглубь: сперва от больших тел к атому, потом от атома с характерным для него размером в 10^-8 сантиметра к атомному ядру размером в 10^-12 сантиметра, затем от атомного ядра к его составной частице — нуклону (протону и нейтрону) с характерным размером в 10^-13 сантиметра.

В 1955 году первая из 30 тогда известных элементарных частиц — протон — перестала считаться неделимой. Работающий в Стэнфордском университете (США) молодой физик Роберт Гофштадтер доказал экспериментально (обстреливая протоны электронами, разогнанными на линейном ускорителе), что внутри протона есть своего рода твердое ядро — «керн» — размером примерно в десять раз меньше размера всей частицы. Этот керн имеет электрическую природу, поэтому его называют иногда также «электрическим облаком», в отличие от внешнего «нуклонного облака», соответствующего размеру 10^-13 сантиметра.

Последующие шесть лет принесли Гофштадтеру новые успехи: керн был обнаружен и в нейтронах. А в 1961 году все эти работы отмечены высшей наградой Шведской академии наук — Нобелевской премией.

Так был сделан как бы еще один — четвертый — шаг в глубь материи, в область, ограниченную размером 10^-14 сантиметра.

Обозревая пройденные ступени, легко впасть в тот же грех примитивизма, который даже умных людей заставлял подозревать, что на Солнце и на электронах живут разумные существа. «Ага, — могут сказать иные, — дальнейший прогресс физики микрочастиц предельно ясен. За четвертой ступенькой начнется пятая — внутри керна обнаружат какую-то еще меньшую сердцевину; потом шаг шестой — находка сердцевины сердцевины керна; и так далее без конца…»

В действительности все гораздо сложнее.

Существуют определенные свидетельства тому, что дальнейшее дробление вещества на части становится невозможным и практически и теоретически. Более глубокое «упрощение» материи если и возможно, то уже не в результате уменьшения размеров. Гениальная догадка В. И. Ленина о неисчерпаемости материи в наши дни у физиков вызывает совсем не геометрические ассоциации.

Мы не будем подробнее говорить об этом. Скажем лишь, что «масштабный эффект» может проявить себя и не при резких изменениях размеров. Эффекты теории относительности, например, проявляют себя лишь при очень высоких скоростях (приближающихся к скорости света, то есть к 300 тысячам км/сек), а также при очень больших массах. Размеры тел для теории относительности совершенно безразличны: ее законы применимы к электронам в той же степени, как и к звездам-гигантам.

Масштабные эффекты для тел очень маленьких размеров интересуют в первую очередь раздел современной физики, называющийся квантовой механикой.

Но прежде чем говорить о квантовой механике, нам надо поговорить о другом разделе физики: о мерах, точнее, об учении о мерах, или о метрологии (от греческих «метрон» — «мера» и «логос» — «слово», «мысль», «понятие»). Ведь чем тоньше мир, тем, чтобы его познать, человеку трудней его измерить. А измерять его тем более необходимо, что он далек от обычной человеческой жизни. Так легко неверно его представить («по-своему» — антропоморфно). В тонких областях материи измерения играют особенно большую роль.

Три бесконечности учения о мерах

Старинная арабская миля равна 4000 локтей, локоть — 8 кулакам, кулак — 4 пальцам, палец — 6 ячменным зернам, толщина ячменного зерна — ушестеренной толщине волоса с ослиной морды. Измерения показывают, что толщина волоса с ослиной морды равна примерно 0,4 мм.

Какими приблизительными мерками пользовались люди в прошлые времена! И видно, особых неудобств от этого не испытывали.

Технический прогресс и проникновение науки в прежде недоступные области природы потребовали увеличить точность измерений. Так как к тому же возникла необходимость устранить путаницу при переводе мер, принятых в одной части света, в меры, принятые в другой части света (и тем, в частности, положить конец хаосу в международной торговле, вызываемому использованием различных систем мер), то поступили так: в 1875 году созвали международную конференцию по введению единых мер и весов. На конференции присутствовали представители тридцати различных стран, в том числе — представители России.

Эталоном массы приняли, как мы уже говорили, килограмм, а за эталон длины договорились принять метр — одну сорокамиллионную часть парижского меридиана. Изготовили высоконадежный платиново-иридиевый сплав, понаделали из него брусков и на каждом штрихами отложили метр. Потом по жребию разыграли эти ценные бруски, кому какой достанется. Россия получила копию метра № 28.

Шло время, двигались вперед наука, техника и экономика, и вот ученые пришли к выводу, что принятый ими эталон длины недостаточно точен. В 1960 году на 11 генеральной конференции по мерам и весам было принято решение определять меры длины по оранжевой линии изотопа (разновидности) криптона.

В СССР и других странах появился новый эталон длины — «световой метр», — куда более точный, чем метр из драгоценного металла. Точность измерений длины повысилась в десять раз.

Уже из этого примера видна «первая бесконечность», к которой стремится метрология — наука о мерах: бесконечное увеличение точности измерений.

«Вторая бесконечность» метрологии — это возрастание значения точных измерений для людей.

Сотрудники научно-исследовательского института метрологии имени Д. И. Менделеева в Ленинграде убеждены, что их наука — самая необходимая людям, что без нее человечество станет беспомощным, как малое дитя. Понять ленинградцев можно. Из-за отсутствия точных измерений в машины, сооружения, механизмы закладываются лишние материалы, не оправданные соображениями прочности, бесполезно тратятся многие тонны дорогих материалов.

Ленинградцы подсчитали, что внедрение новейших методов измерения длины, разработанных в их институте, даст только на предприятиях страны, создающих точные станки, 26 миллионов рублей годовой экономии.

«Третья бесконечность», к которой будет, возможно, вечно тянуться метрология, — это безграничное увеличение перечня измеряемых величин.

В 1970 году на Земле насчитывалось примерно 250 эталонов. Это значит, что столько к этому времени имелось единиц меры, сравнивая с которой неизвестную величину, эту, последнюю, можно измерять, превращать в известную.

А разве количество таких единиц меры может когда-нибудь установиться окончательно?

Только сравнительно недавно люди научились объективно оценивать цвет. Не за горами время, когда нам придется (и мы этому научимся) измерять вкусы, запахи и многое, многое другое.

В мире квантов

26 февраля 1888 года в лаборатории Московского университета произошло событие большой важности: профессор Александр Григорьевич Столетов направил луч света на металлическую пластинку, которой оканчивалась незамкнутая электрическая цепь, и вдруг с изумлением увидел, что цепь замкнулась: прибор показал наличие тока. Свет породил электричество!

Это было загадочно и непонятно. Какая существует связь между двумя столь разнородными, с точки зрения науки того времени, областями явлений, как оптика и электричество? Почему возникает ток?

Тогда на этот вопрос ни один человек в мире не мог бы дать удовлетворительного ответа: никто не знал, что электрический ток есть эффект движения электронов (сами электроны были открыты только после смерти Столетова), а если бы это и знали, то как объяснили бы, что свет может выбивать электроны?

Выбить нечто из недр вещества можно лишь, если обстрелять его какими-то частицами-«пульками», достаточно мелкими, чтобы проникнуть в плотную среду, и достаточно энергичными, чтобы произвести там изменения. Правда, если электроны находятся в избытке на поверхности металлической пластинки, то выбить их может и падающая на эту поверхность волна. Но это представление совершенно несовместимо с количественными законами открытого Столетовым явления, и, значит, волной нельзя объяснить столетовского эффекта.

Когда-то свет считали волнами в чистом виде. Полагали, что свет есть волнообразное явление, протекающее в некой среде — эфире. Физический же объект, обладающий свойствами волны, как думали прежде, не может одновременно обладать и корпускулярными, иначе говоря — вещественными, свойствами, свойствами частиц вещества. Такие свойства, как говорят ученые, комплементарны, то есть дополнительны друг к другу и взаимно исключают одно другое. В мире привычных масштабов летящий снаряд — только тело, корпускула, и не может быть волной; производимый им в воздухе процесс — только волна, которая, наоборот, не может быть корпускулой. Поэтому по аналогии считали, что и свет, бесспорно обладая волновыми свойствами, не мог одновременно состоять из частиц.

Но почему же все-таки в опыте Столетова появлялся ток?

17 мая 1899 года другой профессор Московского университета, Петр Николаевич Лебедев, сделал сообщение в Лозанне (Швейцария) о результатах своих первых исследований давления света. Тонкими и изящными опытами он доказал существование светового давления, теоретически предсказанного англичанином Джемсом Максвеллом, и даже вычислил его величину, несмотря на ее ничтожно малое значение: 0,00038 грамма на квадратный метр черной поверхности. Этим он наглядно доказал материальность света.

Быть может, открытие Лебедева объясняло загадку Столетова? Нет, давление могут производить и волны; поэтому наличие его еще не давало убедительного доказательства существования у света корпускулярных свойств.

Ответ на загадку пришел чуть позднее — в 1900 году — в связи с работами немецкого физика Макса Планка. Он принял, что энергия, подобно веществу, не является непрерывной, а состоит как бы из «атомов». Но энергия не существует независимо от материи, она лишь свойство материи (точнее, мера свойства материи). Следовательно, если есть «атомы энергии», то в каком-то смысле есть и атомы особой, невещественной — «полевой» — материи, образцом которой является свет.

Конечно, все это было в высшей степени удивительно.

«Атомы энергии» и сейчас звучит для многих необычно. Понятно — атом вещества. Понятно даже — атом электричества. Ведь и в этом случае атом означает что-то «осязаемое», заполняющее пространство. Но как представить себе «атом энергии»?

Занимаясь изучением законов теплового излучения черного тела, Планк получил формулу для объемной плотности электромагнитной энергии. Эта формула давала результаты, прекрасно совпадающие с опытом, однако она не только не вытекала из законов классической физики, но и находилась с ними в резком противоречии. Дело в том, что она получалась только в случае, если допустить, что световая энергия излучается или поглощается кратно некоторому наименьшему ее количеству, то есть состоит из порций, «атомов», которые Планк назвал квантами («квант» означает «порция»).

Величина этой энергии Е изменяется в зависимости от частоты колебаний ω («ни») и связана с ней простым отношением:

где коэффициент пропорциональности h = 6,62 10^-27 эрг/сек.

Коэффициент пропорциональности h получил название «постоянной Планка».

Эта простая формула — одна из самых фундаментальных формул современной физики.

Другая фундаментальная формула современной физики — это формула Альберта Эйнштейна, полученная им в 1905 году. С ее помощью можно рассчитать полное содержание энергии Е в теле, и выглядит она так:

где с — скорость света, равная примерно 300 тысячам километров в секунду, или 3·10¹⁰ см/сек, а т — масса движущегося тела. Если масса выражается в граммах, а скорость света в см/сек, то полная энергия тела получится в эргах.

Формулы Планка и Эйнштейна — это символы всего современного естествознания. Они настолько тесно связаны с духом и философией новой физики, так часто встречаются в ее расчетах и в то же время так просты, что их теперь знает (по крайней мере, по написанию) любой интеллигентный человек, даже далеко стоящий от физики и математики.

Открытие «атомов энергии» расширило понятие материи. Возникло представление о двух формах материи: вещественной и лучистой, как говорили раньше, или материи поля, как говорят теперь.

А какие бывают по величине кванты энергии? Интересно сравнить их значение с теми количествами энергии, с которыми имеет дело обычная человеческая практика (см. «Путаница и разъяснение понятий» в начале третьей главы).

Обратимся для примера к волнам видимого света. Это электромагнитные колебания с диапазоном частоты от 4,3·10¹⁴ колебаний в секунду (для красного света) до 7·10¹⁴ колебаний в секунду (для фиолетового света). Если помножить указанные значения на постоянную Планка, то получатся значения «атомов энергии» — квантов, выраженные в эргах для обеих границ видимого спектра: 28,46·10^-13 и 46,34·10^-13 эрг.

Десятитриллионные доли эрга! Из таких «атомов» складывается энергия, которую несут в себе лучи красного и фиолетового света. При этом фиолетовый свет состоит из квантов с энергией почти вдвое большей, чем кванты красного света. Чем выше частота колебаний, тем больше энергия квантов, тем большую работу они способны произвести.

В формуле Планка не отражена природа рассматриваемого физического движения. Это значит, что формулу можно считать применимой для любого движения, так как атомарное строение присуще всякой форме колебательной энергии, например и звуковой. Так, есть, например, и «кванты» звука, которые приобретают в наши дни особое практическое значение в связи с распространением ультразвуковой техники.

Вернемся к свету. Энергия света имеет атомарное строение. Но несколько позже Эйнштейн пришел к выводу, что атомарное строение присуще и другой важнейшей характеристике света — его импульсу. Это дало новый повод говорить, что и сам свет имеет атомарное строение, состоит из частиц, которые были названы фотонами. (По аналогии с фотонами «частицы» звука стали называть фононами.)

Пользуясь формулой Эйнштейна, можно вычислить, что выбранные нами выше фотоны света обладают массами 3,16·10^-33 грамма и 5,15·10^-33 грамма. Как видим, числовые значения, получающиеся при этом, более чем ничтожны, если подходить к ним с точки зрения обычных для нас масштабов.

Теперь в опыте Столетова все становится понятным. Световые «пульки» выбивают из вещества отрицательно заряженной пластинки электроны, последние тотчас же начинают притягиваться положительно заряженной пластинкой, в результате чего в схеме возникает электрический ток. Это явление было названо фотоэффектом.

В современной жизни фотоэффект находит себе большое практическое применение. Многие, быть может не подозревая об этом, встречаются с ним, опуская монетку в контрольный турникет метро; им пользуются в автоматических установках, предупреждающих о пожарах; экспонометры фотолюбителей, телевизионные камеры, сторожевая сигнализация — вот несколько типичных применений фотоэффекта, обусловленного квантовой структурой света.

Итак, свет состоит из мельчайших частиц — фотонов. Все же по отношению к фотону термин «частица» применим лишь с весьма существенными оговорками. Можно сказать приблизительно так: распространяясь, свет действует как волна, излучаясь или поглощаясь, — как частица. Частица ограничена в пространстве, ее поперечник можно измерить, скажем, в миллиметрах. А фотон никакого поперечника не имеет. Обладая некоторыми свойствами частицы, свет в то же время является и волнами, простирающимися в бесконечность.

Есть и другие отличия фотона от «обычной» частицы. Фотон существует лишь в движении, причем всегда с одной и той же скоростью, а именно: со скоростью света. Частица же вещества бывает и в покое и в движении с различными скоростями, но никогда не достигает скорости света. В связи с этим фотон, скорость которого неизменна, обладает и неизменной массой; масса же частицы вещества возрастает от некоторой минимальной «массы покоя» (которой не обладает фотон) до неограниченно большой величины при приближении скорости частицы к скорости света.

Если масса электрона в состоянии покоя и при относительно небольших скоростях составляет 9,1·10^-28 грамма, то с достижением 0,998 скорости света она увеличивается примерно в 16 раз, при дальнейшем же приближении к скорости света масса возрастает неограниченно.

«Почему, — задал себе в начале 20-х годов вопрос французский физик Луи де Бройль, — если „световой материи“ присущи свойства корпускулярности, мы не вправе ожидать и обратного: что „вещественной материи“ присущи волновые свойства? Почему бы не мог существовать закон, единый для всякого вообще материального образования, неважно вещественного или светового?»

Если это так, то всякой частице вещества должно соответствовать определенное периодическое, волновое явление, зависящее от массы частицы и от скорости ее движения.

Гипотеза де Бройля была подтверждена опытами американских физиков К. Дж. Дэвиссона и Л. Джермера, открывших в 1927 году явление дифракции электронов. Дифракция, то есть загибание лучей после прохождения ими узких щелей или мимо малых препятствий, — типично волновое явление. Оно свойственно только волнам. И вот оказалось, что и пучок электронов, двигающихся с достаточно большими скоростями, если пропускать его через очень тонкие (порядка одной миллионной сантиметра) металлические пластинки, также обнаруживает дифракцию — аналогично рентгеновым лучам. Впоследствии дифракция была обнаружена и у более тяжелых частиц — нейтронов, атомов и молекул.

Именно с 1927 года, то есть с года открытия явления дифракции электронов, начала быстро развиваться совершенно новая физическая теория — теория движений очень маленьких частиц вещества, получившая название «квантовая механика». С этого времени два теоретических представления — о квантовых чертах оптических явлений (корпускулярная теория «световой материи») и о волновых чертах поведения частиц вещества (волновая теория «вещественной материи») слились в одно представление о корпускулярно-волновой «двойственности», или, как говорят еще, дуализме как света, так и вещества.

Когда мы бросаем мяч, то видим, как он описывает вполне определенную кривую — параболу, прежде чем упадет на землю. Подобная кривая — след летящего мяча — называется траекторией его движения. Всякий движущийся предмет, наблюдаемый нами, обязательно имеет свою траекторию.

Не то получается, если речь идет о движении объекта микромира, подчиненного законам квантовой механики. Оказывается, к явлениям микромира понятие траектории неприменимо: элементарные частицы — электроны, протоны и другие — в своем движении не имеют траектории в обычном смысле слова.

Но как себе представить, скажем, электрон, движущийся без траектории? Представить это действительно очень трудно, но зато можно понять, почему трудно.

Ведь траектория — это свойство только корпускулы, тела. Волна, простираясь в бесконечность и не являясь телом, не обладает этим свойством. Электрон же (как и любая другая элементарная частица) обладает одновременно свойствами и корпускулярными и волновыми. В микромире такие дополнительные свойства, как корпускулярные и волновые, прекрасно сосуществуют.

Обратимся снова к дифракционному опыту, но будем пропускать через тонкую пластинку не поток электронов, а отдельные электроны один за другим. И мы получим нечто в высшей степени интересное. Электроны будут попадать на экран, установленный за пластинкой, как частицы (о чем будут свидетельствовать отдельные вспышки в различных местах экрана), а располагаться на экране они будут по закономерностям распространения волны: гуще там, где интенсивнее волна, реже там, где эта интенсивность меньше.

Физический смысл корпускулярно-волнового дуализма заключается в том, что интенсивность волны в любой точке оказывается пропорциональной вероятности найти частицу в этой точке.

Отсюда еще один парадокс, разрушающий наше извечное представление, что дважды два всегда четыре. Квантовая механика говорит, что дважды два может оказаться нулем, а может и восьмеркой.

Направим пучок электронов сквозь две узкие щели и отрегулируем его так, чтобы, когда одна щель закрыта, через другую попадало бы в некоторое место стоящего сзади экрана по 2 электрона каждую секунду. А теперь откроем обе щели. Что получится? 4 электрона в секунду? Не тут-то было. Число электронов будет зависеть от того, как было выбрано место на экране. В одном случае вы получите, скажем, 6 электронов, в другом — 8, а в третьем — ничего, нуль!

Сейчас физики работают над созданием новой — квантовой — теории поля. Элементарные частицы здесь осмысливаются как кванты поля. В этом названии всего удачнее раскрываются двойственные качества микрочастицы. «Поле» говорит о сплошности, о среде; «квантованность», или «порционность», — об индивидуальности частицы.

Связанные же между собой органическим единством, оба неотъемлемых качества микрочастицы по-новому, еще глубже раскрывают физический смысл целостности материального мира.

Слов нет, что все это не сразу укладывается в сознании. Кажется, что нарушается «здравый смысл». Но тут уместно вспомнить слова А. Эйнштейна по поводу последнего:

«„Здравый смысл“ — это те предрассудки, которые складываются в возрасте до восемнадцати лет».

Из анализа природы «волночастицы» вытекает одно чрезвычайно важное и интересное следствие.

Когда мы имеем дело с объектом классической механики — «обычной» частицей, мы можем, по меньшей мере теоретически, с абсолютной точностью задать вместе и величины, характеризующие местоположение частицы, то есть ее координаты, и величины, характеризующие быстроту изменения местоположения частицы, — составляющие ее импульса.

Совсем иное в квантовой механике, где объектом является не крупное тело, изображаемое схематически как частица, а очень маленькая «волночастица». В этом случае, оказывается, нельзя с абсолютной точностью задать вместе и координаты частицы и ее импульсы. Иначе говоря, не существует состояний частицы, в которых сразу имели бы определенные значения и координаты и импульсы. Всегда для частицы есть неопределенности: и в координатах (эта неопределенность обозначается символом Δx, читается «дельта икс») и в импульсах (а эта неопределенность обозначается Δр — «дельта пэ»).

Между обеими неопределенностями есть связь. Оказывается, произведение этих двух неопределенностей равно, грубо говоря, постоянной Планка: Δx·Δp = h.

Можно с абсолютной точностью задать что-нибудь одно: или координаты частицы, или ее импульс. Но тогда неопределенность другого, как видно из соотношения, станет бесконечно большой.

Это и есть вызвавшее много шуму, а еще больше неправильных философских толкований соотношение, установленное немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году и получившее название «соотношение неопределенностей».

Порой в повседневной жизни мы сознательно создаем неопределенности. Например, при игре в лапту бегущий, чтобы увернуться от мяча, бежит с различной скоростью, делает неожиданные скачки и т. д. Неопределенность в его импульсе и положении, естественно, мешает другому игроку правильно прицелиться.

Принцип неопределенности позволяет понять тайну многих загадочных явлений в микромире. Почему, например, при температуре абсолютного нуля частицы все же продолжают колебаться? Да потому, что если бы они остановились, их положения в пространстве и их скорости были бы совершенно определенны, а это противоречит соотношению неопределенностей. Почему, как вы думаете, отрицательно заряженные электроны внешних оболочек атомов не падают под влиянием притяжения на положительно заряженное ядро? Потому, что и в этом случае был бы нарушен принцип неопределенности: электроны оказались бы в ядре, неопределенность Δx стала бы близкой к нулю (то есть она бы почти исчезла, восторжествовала бы определенность). Из соотношения Гейзенберга видно, что при этом стал бы очень большим импульс частицы. Это значит, что она приобрела бы большую кинетическую энергию и «выпрыгнула» бы из ядра.

«Немудрено, — говорит Фейнман, — что ядро идет на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движения, лишь бы не нарушить этого правила» (соотношения неопределенности. — В. К.).

Открытие двойственности элементарных частиц и соотношения неопределенности, характеризующего их «поведение», произвело огромное впечатление. Ничего подобного не встречалось в повседневной практике. С изумлением увидели люди в микромире материальные тела, ведущие себя своенравно, подчиняющиеся неведомым до тех пор законам. Казалось, здесь были не простейшие частицы материи, а какие-то очень маленькие «живые существа».

Все было до того удивительно и непонятно, что нашлись люди (в том числе ряд философов и публицистов), которые стали уверять, что электроны «имеют душу», «свободу воли», что в них есть нечто, «роднящее» их с живыми организмами, и т. д.

Конечно, это сущая чепуха. Жизнь — свойство самой высокоорганизованной материи, здесь же речь идет о простейших элементах.

Но какой-то иной, неизвестный классической физике вид причинности, определяющий события в микромире, бесспорно существует. Иначе говоря, изучение явлений в микромире привело к открытию существования двух форм причинности: динамической, которой управляются движения крупных тел, и статистической, управляющей движением элементарных частиц.

Применение классической механики к конкретным задачам построено на предположении, что мы знаем все о силах, прилагаемых к рассматриваемой нами системе тел. Только в этом случае мы можем предсказать поведение системы. Хороший пример — предсказание астрономами расположения планет в определенный будущий момент времени. Но вот представьте себе, что из бездонных глубин космоса в Солнечную систему ворвется какое-то новое небесное тело. Оно тотчас нарушит всю тысячелетиями установленную гармонию и приведет систему к неожиданному, непредсказанному состоянию.

Как видно из примера, первым условием возможности предсказания события, подчиняющегося динамической причинности, является отсутствие непредусмотренных взаимодействий рассматриваемой системы с другими.

Но в идеальном смысле эти условия невыполнимы: никогда нельзя предусмотреть всех воздействий извне на изучаемую систему. Может быть, здесь и лежит объяснение «своенравия» микрочастиц?

Действительно, когда мы изучаем большие тела, то должны пренебречь малыми и поэтому практически несущественными, непредусмотренными воздействиями. Если мы сумели предусмотреть все практически существенные воздействия, то с практически достаточной точностью будет работать динамическая причинность; если же она не работает, будем искать существенные воздействия, которых мы пока еще не сумели предусмотреть.

Применим эти рассуждения к микромиру. В мире очень малых частиц существенных воздействий гораздо больше, и поэтому гораздо больший риск не суметь их все предусмотреть. Отсюда и «своенравие»: просто мы не всё еще знаем об условиях, в которых находится рассматриваемая микросистема. Поэтому и не работает динамическая причинность, поэтому и приходится пользоваться причинностью статистической.

Такая — или очень похожая — точка зрения на «своенравие» микрочастиц действительно существует; ее часто называют точкой зрения «скрытых параметров» («скрытые параметры» — это величины, характеризующие в условиях то, чего мы еще не знаем и что существенно). Однако эту точку зрения разделяют очень немногие физики. Подавляющее большинство их придерживается другой точки зрения, согласна которой статистическая причинность управляет явлениями в микромире не потому, что мы еще не открыли «скрытых параметров», а потому, что такова объективная закономерность микромира. И эта статистическая причинность нисколько не хуже динамической — это совсем не «знание второго сорта». Просто микромир так устроен, что в нем основная роль принадлежит статистической причинности.

Не противоречивы ли эти слова «статистическая причинность»? Вспомним дифракционный эксперимент: согласно квантовой механике нельзя предсказать, в каком месте экрана окажется каждый данный электрон. Где же здесь причинность?

Если бы квантовая механика не давала возможности ничего предсказать относительно одного электрона, то действительно в этой теории не было бы места причинности. Плохи были бы дела такой теории. Но на самом деле ведь все совсем не так: квантовая механика позволяет делать совершенно точные предсказания. Так, в случае дифракционного эксперимента она позволяет совершенно точно предсказать пусть не значение координат электрона на экране, а вероятность этого значения. Такой возможности оказывается совершенно достаточно для того, чтобы теоретически объяснять известные явления и предсказывать новые. Чем же предсказание вероятности значения какой-либо физической величины хуже предсказания самого этого значения!

Из непонимания принципиального различия между большими телами, изучаемыми классической механикой, и микрочастицами среди зарубежных физиков и философов возникло немало идеалистических толкований и соотношения неопределенностей и всех вообще законов квантовой механики.

Очень распространилось, например, убеждение, что явления микромира принципиально непознаваемы, что человек никогда не раскроет их до конца. Почему? «Да потому, — отвечают эти люди, — что в каждом звене познавательной цепочки „что — чем — кто“, или „микрочастица — прибор — наблюдатель“, таится то или иное принципиально непреодолимое препятствие».

Что это необоснованно и неверно и что в действительности квантовомеханические явления так же объективны и закономерны, а следовательно, и познаваемы, — нетрудно доказать.

В том, что двойственность микрочастицы («что») не несет в себе ничего «чудесного», мы уже убедились. Не является непреодолимым препятствием для познания микромира (как считают идеалисты) и то обстоятельство, что когда мы со своими приборами («чем») вторгаемся в микромир, чтобы узнать о нем что-то, эти приборы сами искажают микроявления и мешают нам их узнать. Ведь когда мы измеряем температуру воды при помощи термометра, мы тоже почти всегда при этом немножко изменяем эту температуру за счет разницы между температурами воды и термометра. Однако, зная законы тепловых явлений, мы могли бы из фактически полученных результатов исключить помехи и получить абсолютно точные результаты, если бы это нам понадобилось.

Правда, в микромире есть специфика, обусловленная тем обстоятельством, что часть измерительного прибора нельзя сделать очень малой по сравнению с изучаемой системой.

Не будем пытаться обсуждать здесь важных следствий, вытекающих из этой специфики. Скажем только одно: принципиально непознаваемыми явления микромира от этого не делаются.

Не помешает нам когда-нибудь постигнуть тайны микромира и несовершенство наших органов чувств («кто»).

Во-первых, «наблюдателем» может быть и не человек, а, например, фотопластинка, флюоресцирующий экран и т. п. Во-вторых, и наши органы чувств не так уж несовершенны. В 1933 году советский физик Сергей Иванович Вавилов проделал интересный опыт, который позволил увидеть если не отдельные фотоны, то, во всяком случае, столь малые их группы (до 5–7 фотонов), что и это убедительно говорит в пользу прерывного строения света.

Опыт С. И. Вавилова не только наглядно показал прерывистое строение света, но и свидетельствовал о высоких визуально-воспринимательных способностях человека.

Все это говорит о том, что и в явлениях микромира действуют материалистические причинные законы, что и мир квантовомеханических явлений существует объективно, независимо ни от приборов, при помощи которых его исследуют, ни от сознания человека, пользующегося этими приборами.

Мир квантовомеханических явлений познаваем. И в этом мире в действительности нет никаких фантастических чудес.

С. И. Вавилов и предвидение открытий

Многие физические (да и не одни физические) открытия у нас в стране обязаны своим возникновением С. И. Вавилову, даже если он и не участвовал в них непосредственно.

Сергей Иванович Вавилов… Имя хорошо известное. Есть улицы, носящие это имя. Институты. Корабли. Выпускались марки с портретом С. И. Вавилова. Это имя встречается в учебниках по физике. Ученые да и большинство образованных людей вообще знают, что Вавилов возглавлял Академию наук СССР — был ее президентом. Причем в особо ответственное время — с 1945 по 1951 год, — когда не только залечивались раны, нанесенные стране, ее народному хозяйству второй мировой войной, но и решались новые научные и технические задачи, поставленные жизнью.

С. И. Вавилов занимался и другими важными делами: преподавал в ведущих вузах, создавал не только научные труды, но и популярные книги, был главным редактором Большой советской энциклопедии, вел активную общественную работу.

Говорят, что человек и обстановка, в которой он живет, похожи друг на друга. Если это правда, то и по предметам обстановки можно смутно угадать, каким был человек, живший в их окружении.

Попробуем сделать это, заглянув воображением в домашнюю библиотеку С. И. Вавилова.

Книг в ней не так уж много, но какой удивительный их подбор! Античная и новейшая классика, философия и естественные науки, русские, английские, немецкие, итальянские, французские книги стоят рядом. Вавилов читал и перечитывал заново почти всех авторов на их родных языках: римлянина Лукреция и англичанина Фарадея, американца Майкельсона и голландца Гюйгенса, русских ученых двух столетий — Ломоносова, Софью Ковалевскую, Попова, Лебедева, Крылова…

Но чаще всего Вавилов обращался к томику «Фауста». Поля исписаны комментариями и критическими замечаниями. Многие не уместились да полях, и Вавилов продолжал их в двух тетрадочках, переплетенных с книгой.

Кажется, что особенного в любви С. И. Вавилова к «Фаусту»? Да все культурные люди любят эту книгу! И многие воображают себя Фаустами. Как понимают это. Иной ученый, пожалуй, и обидится, если его не назвать «фаустовским человеком»: ему покажется, что хотят сказать, что он не ищущий, не дерзкий, не пылко жаждущий познания.

От простоты такого объяснения не остается, однако, и следа, когда мы узнаем, как относился Вавилов к главному герою бессмертного произведения. Оказывается, он его осуждал. Он осуждал Фауста, а о его подручном — Вагнере — отзывался с теплотой, считал его чуть ли не образцом ученого.

Что же привлекало С. И. Вавилова в Вагнере? Оказывается, трудолюбие Вагнера и его любовь к «источникам», то есть к ученым и научным идеям прошлого. Вавилов мог бы сказать и о себе, как говорил у Гёте подручный Фауста:

С. И. Вавилов родился в 1891 году в Москве и, видимо, от своих родных унаследовал привычки и любовь к труду. Его отец прошел удивительный путь от мальчика на побегушках до управляющего огромной Трехгорной мануфактурой. А мать — главная хозяйка дома, простая и строгая женщина — была в то же время и первой слугой в доме. В семье Вавиловых привыкли относиться с уважением ко всякому труду. Неудивительно, что таким же трудолюбивым, как Сергей Иванович, вырос и его брат — Николай Иванович, впоследствии тоже академик, один из выдающихся биологов мира.

В 1914 году С. И. Вавилов окончил с отличием Московский университет, а после фронта, с начала 1918 года, сразу стал работать в Москве в Физическом институте, возглавляемом академиком П. П. Лазаревым.

Первые же достижения С. И. Вавилова были отмечены на конференции в Берлине в 1926 году, на «Олимпе» (в «обители богов») тогдашней физики. В присутствии Вавилова его работы расхвалили такие крупные физики, как Эйнштейн, Планк, Нернст, Лауэ и др.

Постепенно в С. И. Вавилове вырабатывалось убеждение, что настоящий ученый — это тот, в ком есть одновременно и Фауст и Вагнер, кто умеет сочетать в себе полет мысли и страсть Фауста с трезвым реализмом, даже иногда с «ремесленничеством» (то есть умением делать все своими руками) Вагнера.

Сейчас много говорят о предвидении будущего, в частности — будущих открытий. С. И. Вавилова можно смело считать одним из основоположников новой науки «футурологии» (от латинского «футурум» — «будущее»).

Выдающийся советский физик — один из близких соратников Вавилова — академик И. М. Франк, писал: «Во главу угла Вавилов ставил выяснение физической сущности явлений, исследование их механизма, и полагал, что открытия должны возникать именно на этом пути, хотя и могут быть неожиданными».

С. И. Вавилов умер в 1951 году, не только сделав сам много открытий, но и подготовив почву для научного планирования новых открытий (как президент Академии наук).

Вся наша послевоенная научная действительность — подтверждение правильности вавиловского подхода к подготовке открытий.

Мы не научились бы строить атомных электростанций, не полетели бы в космос, не сделали бы больших открытий в астрономии, математике, электронике, если б не научились по-вавиловски планировать науку.

В этом — главным образом в этом — заслуга Сергея Ивановича Вавилова — настоящего «фаустовского человека». Заслуга перед своей страной и перед всей наукой.

Рубиновая молния

Какое огромное практическое применение находят себе «невидимые» кванты и какие грандиозные перспективы они открывают перед человечеством, можно показать на примере одного из самых больших достижений современной науки и техники — квантовых генераторов и усилителей.

Вдохновенный исследователь света Сергей Иванович Вавилов не скрывал своего восхищения той областью оптики, которая имеет дело с предельно малыми световыми потоками и изучает процессы, протекающие в ничтожные отрезки времени. Он назвал эту область микрооптикой и показал, что она существенно отличается от макрооптики — оптики значительных световых мощностей, длительных времен наблюдения и больших по размерам источников излучения.

«За макрооптикой, — писал он в своей последней большой работе „Микроструктура света“, — скрывается микрооптика, отличающаяся от первой в некоторых отношениях так же, как термодинамическое учение о веществе отличается от его молекулярной теории».

Вавилов ожидал от нового раздела оптики большой практической отдачи. Эти ожидания сбылись, особенно на тех направлениях, где микрооптика вступила в союз с другими науками или с техникой. Блестящий пример — успехи того детища квантовой механики (теоретической основы микрооптики) и радиотехники, которое в последние годы чаще всего называют квантовой радиотехникой. Эта новая наука позволила создать поистине чудесный физический прибор. У нас он называется, как мы сказали, обычно квантовым генератором и усилителем, а в странах Запада — «мазером», по начальным буквам английских слов: «microwave amplification by stimulated emission of radiation» — усиление очень коротких волн (подразумеваются электромагнитные волны) путем вынужденного излучения. Говорят также часто «лазер» или «оптический мазер», имея в виду только световые электромагнитные волны («light amplification by stimulated emission of radiation»).

Появились первые квантовые генераторы недавно. Однако уже стало чуть ли не традицией начинать рассказ о них с эпизодов из фантастического романа А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Герой этого романа уничтожает бронированные корабли при помощи чрезвычайно тонкого, нерасходящегося луча света невероятной мощности. Плотность энергии в луче настолько велика, что корабли на расстоянии нескольких километров разрезаются светом с такой же легкостью, как режется горячим ножом ломтик масла. Сославшись на роман Толстого, обычно добавляют, что современные квантовые генераторы и усилители в некотором смысле напоминают «гиперболоид инженера Гарина»: они также дают остронаправленный пучок интенсивного света, способный перенести в пространство огромную энергию.

Правда, мощность реального пучка много меньше той, что показывается в романе. Наибольший разрушительный эффект, который удается сейчас получить, — это пробить на небольшом расстоянии от квантового генератора пакет из десяти бритвенных лезвий. Но если лабораторный прибор уже сегодня способен вызвать заметный разрушительный эффект, то почему бы не допустить, что возможности техники и науки завтрашнего дня позволят специалистам послать в пространство луч такой же интенсивности, как в произведении Толстого? И все же есть существенные обстоятельства, говорящие против аналогии.

Писатель имел в виду концентрацию в пространстве обычных световых волн, испускаемых горячим источником. Но из таких лучей, как показал профессор Г. Г. Слюсарев, принципиально невозможно создать пучок, способный произвести существенное разрушающее действие: пучок обязательно будет размазан в пространстве. Это качественное обстоятельство. Есть и количественное.

Простой расчет показывает, что для того чтобы обычным лучом света (как у Толстого) проколоть такую же пластинку, какую пробивает мазер, температура источника должна быть доведена до 10 миллиардов градусов. А ведь это в полтора миллиона раз горячее Солнца!

Какое же бессчетное количество солнц должно быть сконцентрировано в «гиперболоиде», чтобы, собрав их лучи, разрезáть настоящие корабли!

Как выясняется, создавать высокие плотности лучистой энергии в пространстве можно, только не средствами макрооптики, как в романе А. Н. Толстого, а средствами микрооптики, в возможности которой так верил С. И. Вавилов.

Если к мазеру подходить как к мирному орудию, здесь ясно вырисовываются заманчивые перспективы. Самые невероятные на первый взгляд идеи перестают казаться несбыточными, как только выясняется, что для их реализации можно применить устройства квантовой радиофизики.

Вот примеры.

В 1958 году американцам удалось принять отраженный сигнал радиолокатора, посланный к Венере на волне длиной 3 сантиметра. Немного времени спустя такой опыт и еще успешнее — с более мощным сигналом — был проведен советскими учеными.

Чтобы ясно представить себе значение этого события, надо вспомнить одно соотношение. Оно гласит, что плотность энергии отраженного луча, принимаемого локатором, убывает по сравнению с плотностью энергии первоначального луча пропорционально четвертой степени расстояния от цели. Шофер, читающий письмо при отраженном от стены свете фар своей машины, вряд ли разглядит хотя бы букву, если отъедет от стены вдвое дальше, чем вначале: в кабине станет в 16 раз темнее.

Применив это соотношение для вычисления мощности луча, вернувшегося на Землю после отражения от Венеры, получим потрясающе малую величину. По подсчетам зарубежных авторов, относящимся к американскому опыту, отраженный от Венеры космический радиосигнал попал в приемное устройство, имея мощность всего лишь в одну миллиардную часть миллиардной доли одной миллиардной ватта (в числах это выражается единицей, деленной на единицу с двадцатью семью нулями).

И тем не менее сигнал был принят! Его усилил, сделал явственным квантовый усилитель, работающий в радиодиапазоне.

Позднее с помощью аналогичного усилителя успешно принимались сигналы с космических ракет, удалившихся от Земли на многие миллионы километров.

Наряду с мазерами, радиоволновыми генераторами и усилителями все активнее включаются в человеческую жизнь, становятся надежными помощниками специалистов и оптические квантовые генераторы и усилители — лазеры.

Очень скоро выяснились их мирные возможности. Например, во Франции они нашли применение в глазной хирургии для прижигания кровоизлияний в сетчатой оболочке глаза. Такая операция длится всего несколько микросекунд вместо одной без малого секунды, как раньше. Прежний срок являлся слишком большим, так как при этом нагревались и соседние, здоровые части сетчатки.

В оптических генераторах длины используемых электромагнитных волн сократились с сантиметров до десятитысячных долей миллиметра, и «радиосигнал», предназначенный для усиления, засветился: он перешел из радиодиапазона в область видимого света.

Со времен Максвелла любой старшеклассник знает, что знаменитая череда различных излучений — сейчас сюда относятся гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, световое, инфракрасное и радио — различается лишь частотами колебаний, или длинами волн. Природа же их одинакова — это электромагнитные волны. Казалось бы, чего проще, изменяя конструкцию радиопередатчиков, постепенно уменьшать длины волн и привести их в область видимых радиосигналов? Однако ничего не получалось. Добрых полстолетия никакими ухищрениями никому не удавалось создать радиостанцию, работающую на волнах порядка 430–700 миллимикронов — в диапазоне, доступном человеческому глазу. Самая короткая волна, полученная при помощи электромагнитного генератора, была чуть меньше миллиметра, то есть миллиона миллимикронов.

А между тем природа щедро обеспечила ученых сверхкоротковолновыми радиогенераторами. Таковы атомы, точнее, атомы светящихся веществ. По размерам и по мощности они миниатюрны. Зато в смысле простоты конструкции это идеальные радиостанции: число деталей в них сведено до недостижимого в технике минимума — единицы, в крайнем случае, десятки.

Чтобы понять, как посылает свои электромагнитные импульсы такое миниатюрное устройство, надо вспомнить картину энергообмена в атоме, нарисованную еще в начале века Максом Планком и Нильсом Бором. Чем-то эта картина напоминает, образно говоря, стрельбу из пистолета.

Чтобы атом отдал энергию — «выстрелил», его надо вначале «зарядить»: ввести в него энергию со стороны. Если пистолет стреляет только целыми и обладающими одинаковой энергией пулями, то примерно так же «стреляет» и атом. Атом испускает и поглощает электромагнитную энергию не непрерывно, а скачкообразно, очень маленькими порциями, — квантами, или фотонами. Каждая из этих порций совершенно точно отмерена и соответствует определенной частоте колебаний, или длине волны.

Процесс энергообмена в атоме протекает так. Начнем с момента, когда атом «не заряжен», пребывает, как говорят физики, в невозбужденном, основном состоянии. Такой атом не может испускать энергию — он может ее лишь поглощать. Положим, что это и произошло: в атом попал извне квант вполне определенной величины (как правило, атом поглощает лишь один квант, причем соответствующий строго определенной частоте колебаний). Поглотив этот квант, атом в тот же миг скачкообразно переходит в возбужденное состояние. «Пистолет» заряжен. Как же происходит «выстрел»? Оказывается, есть два способа отдачи энергии возбужденным атомом, сопровождающихся переходом его в основное (или в некоторое промежуточное) состояние: спонтанно, то есть самопроизвольно, без вмешательства извне, и вынужденно, под влиянием облучения. В обоих случаях из атома вылетает запасенный им ранее, при возбуждении, квант энергии, но второй способ, как показал еще открывший его Альберт Эйнштейн, эффективнее.

Замечательно, что квант, испущенный атомом в результате вынужденного излучения, ничем не отличается от тех квантов, которые вызвали его излучение. Существенно — позже мы узнаем почему, — что эти кванты совершенно одинаковы: имеют одинаковую частоту, поляризацию и направление распространения. Излученный таким образом квант органически входит в вызвавший его излучение поток и усиливает его.

Второй способ часто называют индуцированным излучением. Открыт он был давно — в 1917 году, однако долго оставался предметом чистой теории. Никому не приходило в голову, что от него может быть какой-нибудь прок. Неожиданно явление индуцированного излучения оказалось дверью в новую область прикладной физики: оно легло в основу действия квантовых генераторов.

Однако об этом мы поговорим несколько позднее. Сперва надо разобраться, почему обычные светящиеся тела до последних лет не удавалось использовать как генераторы световых радиоволн.

Прежде всего надо ясно представить себе, чем электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, отличаются от электромагнитных волн, испускаемых электрической лампой накаливания.

Конечно, это различие связано с длиной волны, но посмотрим внимательнее, в чем оно заключается.

Чтобы лучше разобраться в (честно скажем) не совсем простом вопросе, обратимся к выручалочкам-аналогиям.

Радиостанция излучает чрезвычайно упорядоченные волны, которые можно сравнить с морской зыбью — одна волна в точности похожа на все остальные. Электрическая же лампочка излучает одновременно всевозможные световые волны: здесь нет упорядоченности, здесь хаос. Прежде всего эта хаотичность излучения электрической лампочки связана с тем, что белый свет — это беспорядочная смесь всех цветов радуги, которым соответствуют световые волны разнообразных длин. Их можно уподобить морю в центре циклона, где все бурлит и где в вихре брызг невозможно различить отдельные волны.

Но есть и другая, очень важная сторона этой хаотичности: отдельные волны в излучении электрической лампочки, как говорят физики, некогерентны между собой — между ними нет согласованности; это различие между некогерентным и когерентным (согласованным) излучениями похоже на разницу между шумом толпы и пением хора.

Энергия, излучаемая лампой, распределена между всеми длинами волн. Если же мы захотим получить от нее одноцветный свет, например отфильтровав его цветным стеклом, то яркость света окажется очень малой — большая часть энергии затратится на нагревание фильтра.

Рассмотрим еще один пример: величайший естественный светильник нашей части мира — Солнце. Клокочущий «котел» космической энергии отдает с одного квадратного сантиметра своей поверхности около 10 киловатт излучения. Конечно, это немало. Это очень высокая плотность излучения. Но не следует забывать, что речь идет о хаотическом (неупорядоченном), разноволновом излучении. В отличие от радиостанции, отдающей всю энергию на одной частоте, главная фабрика тепла нашей части мира работает на множестве частот.

Чтобы не обременять читателя расчетом, заметим, что если бы можно было выделить полоску шириной 1 мегагерц в области зеленого света, где Солнце излучает максимальную энергию, то обнаружилось бы, что каждый квадратный сантиметр его поверхности производит мощности всего-навсего… одну стотысячную ватта.

Насколько это мало, показывает сравнение солнечной поверхности с искусственными передатчиками, работающими в телевизионном диапазоне спектра радиоволн. Такие передатчики легко вырабатывают 10 тысяч ватт в полосе гораздо более узкой, чем 1 мегагерц. Как источники «одноцветных» радиоволн они мощнее Солнца в миллиарды раз.

Белый свет, излучаемый любым тепловым источником, можно сравнить с шумом. В акустике даже существует термин «белый шум», обозначающий шум, в котором беспорядочно смешаны всевозможные звуки.

Принципиальная разница между световыми неупорядоченными волками и радиоволнами проявляется при попытках сконцентрировать в возможно меньшую область пространства возможно бóльшую электромагнитную энергию.

Лампа накаливания излучает свет во все стороны, и никакая оптическая система не может собрать его в одну точку. В лучшем случае в фокусе линзы получится небольшое изображение накаленной нити. Даже самые совершенные прожекторы дают заметно расходящийся луч, так как источником в них является накаленная нить или электрическая дуга, которая не может быть сделана очень малой.

Упорядоченные электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, легко поддаются управлению. Они могут быть сфокусированы в пучки, расходимость которых определяется лишь размерами применяемых антенн. Чем больше антенна, тем ýже пучок.

Концентрируясь двояко — по направлению в пространстве и по заданной частоте, — радиоволны могут дать такие высокие плотности электромагнитной энергии на одной волне, какие не бывают даже в недрах звезд.

Вот почему ученые так упорно искали новые возможности энергетики именно в радиодиапазоне.

Мне вспоминается один забавный эпизод в архангельском порту. Катерок отвозил нас с берега на пароход, стоявший довольно далеко в море. Один из пассажиров махал рукой провожавшей его женщине, и оба молча улыбались: говорить прощальные слова было явно бесполезно — их заглушил бы шум. Вдруг — это поняли все по изменившемуся виду женщины — она о чем-то вспомнила. Она закричала, замахала рукой, пытаясь что-то объяснить. Увы, мы были слишком далеко, и наш катерок, рокоча мотором, продолжал увеличивать расстояние. И тут случилось нечто, всех нас развеселившее. Неожиданно на берегу наступила тишина. Люди (в основном молодежь, народ сознательный), видимо, догадались, что дело важное, и замолчали. Потом раздалось мощное скандирование хора:

— Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых! Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых…

Мужчина понял и радостно закивал головой.

Я вспомнил этот случай в связи с рассказом о квантовых усилителях. Чем-то эпизод в архангельском порту напоминает замену хаотического светового переноса энергии упорядоченным радиоволновым переносом. Любопытны две ступени этого перехода: шум толпы выключается, затем толпа включается вновь, но уже единым хором. Мощность одиночного сигнала резко возрастает, а действие помех исчезает. Чем не намек на теоретическую возможность перейти от светового, неупорядоченного способа передачи на расстояние электромагнитной лучевой энергии к упорядоченному радиоволновому способу!

Вернемся на минуту снова к роману А. Н. Толстого. Можно ли серьезно видеть в фантастическом изобретении инженера Гарина пророческую мысль? Нет, нельзя, конечно. Если перевести на физический язык идею, лежащую в основе произведения Толстого, то это идея концентрации беспорядочной тепловой энергии раскаленных атомов; она бесперспективна. А та идея, которая заложена в современных квантовых генераторах и усилителях, основана совсем на другом физическом явлении: на резонансе, на индуцированном — не тепловом — излучении.

Она не имеет ничего общего с идеей «гиперболоида инженера Гарина».

Как же физикам удалось в конце концов решить полувековую задачу — построить генератор «бесшумного» света? Каким воздействием на атомы они заставили их испускать световые кванты, одинаковые по частоте и, как мы сейчас увидим, по направлению (что очень важно для концентрации и передачи больших количеств энергии)?

Проблемой № 1 на этом пути была проблема создания такой материальной среды — твердой, жидкой или газообразной, в которой возбужденные атомы количественно преобладали бы над невозбужденными. Почему? Да потому, что только возбужденные атомы способны излучать энергию. Невозбужденные же атомы, которые способны лишь поглощать энергию, являются, по меткому выражению советского физика Н. Г. Басова, «нахлебниками».

От них надо избавиться, но как? Дело это совсем нелегкое. Ведь каждое вещество состоит из возбужденных и невозбужденных атомов, и хотя число первых возрастает с нагреванием, но сколько бы мы ни поднимали температуру вещества, количество «нахлебников» всегда будет больше количества «рабочих», возбужденных атомов. Поэтому в обычных условиях все тела поглощают кванты, падающие на них извне. Если же тело не облучается, то накопленные им кванты под влиянием спонтанного излучения «высвечиваются» наружу и переходят в тепло.

Надо было как-то перехитрить природу: создать искусственно такую «активную среду», чтобы большинство ее атомов или молекул могло быть возбуждено.

Одно из первых предложений в этом направлении предусматривало создание активной среды в газах. «Почему бы, — задали себе вопрос физики, — не рассортировать газовые молекулы на две группы так, чтобы возбужденные молекулы собрались в узкий пучок, а невозбужденные отклонились бы в сторону?»

Потом появились предложения и в отношении твердой среды. Постепенно проблема № 1, при всей ее сложности, получила свое решение, причем не только принципиальное, но и чисто практическое.

Становилась на очередь проблема № 2: как использовать активную среду, как ее заставить с максимальной быстротой начать излучение? Речь шла о фантастической возможности «размножать» кванты.

Вот тут-то и была извлечена на свет полузабытая, высказанная мимоходом при исследовании другого явления идея Эйнштейна о существовании индуцированного излучения.

Уже в 1951 году три советских физика — В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева — изложили в авторской заявке краткую теорию усиления света и радиоволн путем создания активной среды и получения индуцированного излучения. Условия, необходимые для прямого наблюдения такого излучения, Фабрикант сформулировал еще раньше, в 1940–1941 годах, в бытность свою учеником С. И. Вавилова. Но начавшаяся война прервала исследования и задержала создание квантового генератора. Это предложение прошло мимо внимания ученых.

В 1952 году одновременно в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров) и в Америке (Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и отдельно от них Дж. Вебер из Мерилендского университета) был предложен принцип генерации и усиления электромагнитного излучения в квантовых системах — принцип, основанный на создании активной среды и использовании индуцированного излучения.

В 1957–1958 годах советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов и их американские коллеги Ч. Таунс и А. Шавлов независимо друг от друга разработали принципы конструирования квантовых генераторов и усилителей в диапазоне видимого света.

В 1959 году профессора (ныне действительные члены АН СССР) Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров были удостоены Ленинской премии за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн (создание молекулярных генераторов и усилителей). А в 1964 году за эту же работу им была вручена высшая награда Западного мира — Нобелевская премия. Вместе с ними был награжден и американец Ч. Таунс.

С 1955 года развитие радиофизики пошло семимильными шагами, и квантовые приборы начали ставить рекорды во многих областях науки и техники. Например, был предложен метод, по которому можно построить часы небывалой точности: за десятки тысяч лет непрерывного хода они будут отставать или спешить менее чем на секунду.

Количество конструкций квантовых генераторов все множится, но принцип их работы в основном не изменяется. Описать его можно на примере рубинового генератора, построенного американским физиком Т. Майманом.

Искусственный рубин, который применяется в этом генераторе, представляет собой окись алюминия (корунд). Сам по себе корунд прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет обусловливается атомами хрома, которые в небольшом количестве замещают атомы алюминия и сильно поглощают зеленый свет. Торцы стерженька из рубина строго параллельны. Они очень тщательно отполированы и посеребрены так, что образуют зеркальца, обращенные друг к другу. Одно зеркальное покрытие полупрозрачно. Источниками индуцированного излучения в этом приборе являются атомы хрома, возбуждаемые мощной вспышкой газоразрядной импульсной лампы, дающей широкополосный, так называемый подкачивающий, свет.

Процесс создания при помощи рубина остронаправленного и мощного потока квантов напоминает цепную реакцию образования нейтронов в урановых котлах. Под влиянием поглощенного зеленого света, обладающего большей энергией, чем красный, все большее количество атомов хрома приходит в возбужденное состояние. До некоторого момента рубиновый кристалл будет при этом испускать лишь красное флюоресцентное свечение в сравнительно широком интервале спектра, причем свечение распространится равномерно во все стороны. Кванты, отражающиеся от одной зеркальной стенки к другой, все время увеличиваются в числе: многократно отражаясь, каждый квант столь же многократно проходит сквозь рой возбужденных атомов и вызывает цепную реакцию индуцированного излучения новых таких же квантов.

При этом луч все время сужается, становясь все более мощным. Пучок лучей, распространяющийся между зеркалами вдоль оси кристалла, постепенно подавляет лучи, распространяющиеся в других направлениях. Плотность энергии в нем повышается, потому что происходят обе концентрации, о которых мы говорили: концентрация по направлению в пространстве и концентрация по частоте колебаний.

Когда эта общая концентрация достигает некоторой критической степени и кристалл начинает генерировать свет, как радиостанция — радиоволну, ослепительная рубиновая молния прокалывает пространство.

Любое вновь открытое физическое явление немедленно вызывает у исследователя вопрос: «Какой в нем прок для человека?»

Какой же прок науке, производству от квантовых генераторов?

Вот, например, часы фантастической точности, которые могут быть созданы с их помощью. Зачем они? Оказывается, они уже сегодня нужны для вождения самолетов и кораблей, для точного измерения больших расстояний. Завтра они понадобятся в межпланетной космонавтике, так как без них невозможно обеспечить точное попадание космических кораблей на другие планеты. Они найдут применение также в науке, в том числе для проверки некоторых утверждений теории относительности.

Фокусировка когерентного излучения в малых объектах позволяет создать высокие концентрации энергии. Новые источники света в миллионы раз превосходят яркость Солнца. Энергия этих источников может быть преобразована в другие виды энергии.

Мы уже говорили о давлении света. Оно обычно невероятно мало и может быть обнаружено лишь очень тонкими лабораторными приборами. А вот рубиновая молния, вырывающаяся из посеребренного торца квантового генератора, способна создать буквально фантастическое давление — порядка миллиона атмосфер.

Располагая таким высоким световым давлением, ученые и инженеры смогут осуществить ряд важных в научном и промышленном отношении процессов: исследование свойств веществ в сильных электрических полях, ускорение заряженных частиц, ускорение химических реакций, точную обработку различных материалов. При помощи квантовых генераторов и усилителей могут быть разрешены многие важные проблемы физики твердого тела, спектроскопии, биологии и медицины. Освоение волн видимого диапазона поможет уже в близком будущем создать необычайно высокоскоростные вычислительные машины.

Пучок лучей, испускаемый лазером, расходится гораздо меньше, чем свет любого другого источника. В опытах по передаче сигналов на 40 километров эти лучи разошлись всего на 30 метров в диаметре. Угол расходимости пучка радиоволн пропорционален длине волны и обратно пропорционален размеру передающей антенны. Это сразу показывает преимущество световых радиостанций перед работающими на более длинных волнах. По подсчетам Басова, чтобы осветить с Земли на Луне площадку в 1 квадратный километр в оптическом диапазоне волн, понадобится прожектор диаметром всего 20–30 сантиметров. В сантиметровом диапазоне радиоволн для этого потребуется антенна диаметром более километра.

Отсюда вывод, что для дальней радиосвязи особенно выгодно пользоваться лазерами. Высчитано, что при помощи существующих уже сегодня квантовых генераторов и усилителей в диапазоне световых волн возможно осуществление радиосвязи на расстояние в несколько световых лет, то есть на расстояние до ближайших звезд.

В печати появились сообщения, что именно этим путем мы скоро сможем ответить на вопрос: «Есть ли там кто-нибудь? Живут ли в глубинах космоса разумные существа, способные принять наши сигналы и как-то на них ответить?» Это сказано в увлечении: сигнал не может быть замечен на фоне звезды, ее шумового излучения. Но вот если бы сигнал посылали с корабля, не излучающего шума, тогда с утверждением, приведенным выше, можно было бы согласиться.

Когда-то люди пользовались оптическим телеграфом. На больших расстояниях одна от другой стояли мачты, на которых то вспыхивали, то угасали световые сигналы. Существовал также оптический телефон. Сейчас даже имена изобретателей этих устройств забыты. И вдруг, как часто бывает в науке, старая идея возрождается на новый лад. С созданием оптических квантовых генераторов началось радиотехническое освоение нового диапазона сверхкоротких электромагнитных волн.

Осуществление радиосвязи в таком диапазоне позволяет передавать чрезвычайно большой объем информации: принципиально один передатчик световых волн может вести одновременно передачу десятка тысяч телевизионных программ. Вместе с тем благодаря уменьшению расходимости пучка радиоволн и использованию направленности радиосвязи новый способ посылки сигналов позволяет очень сильно повысить дальность радиопередачи.

Когда был изобретен и впервые применен в войне против гитлеровской Германии радар, английские солдаты говорили с уважением о новом вооружении: «Он все может, разве что яичницы не сделает». О лазерах так не скажешь: они способны «зажарить яичницу». Они могут за несколько десятитысячных долей секунды поднять температуру вещества до 8000 градусов.

Не в этом, однако, главное. О квантовых генераторах и усилителях можно сказать, что область их применения почти неограниченна. Это одно из самых многообещающих открытий, сделанных в последние годы.

За символами математики

В наше время правильность новой научной гипотезы проверяется не соответствием ее «очевидности» в житейском смысле. Эта «очевидность» срамилась в прошлом много раз (звезды оказались дальше, чем представлялись, Земля — не плоская и т. п.), и ученые нашли другую форму проверки. Сегодня правильность гипотезы подтверждается и гипотеза становится признанной теорией, если выясняется, что она:

во-первых, не противоречит общим законам физики, в справедливости которых пока нет оснований сомневаться;

во-вторых, подтверждается на опыте, имеет выход, так сказать, на поверхность обыкновенных вещей (ибо нет и никогда не будет настолько абстрактной, отвлеченной научной истины, чтобы она не смогла бы быть рано или поздно проверенной конкретным опытом или наблюдением).

Создание квантовых генераторов — одно из ярких проявлений практической дееспособности квантовой механики, свидетельство того, что эта наука блестяще выдерживает вторую из названных проверок.

Первую проверку — соответствие новой гипотезы общим физическим законам — обычно осуществляют физики-теоретики. Если они приходят к выводу, что есть расхождение с проверенными законами, новую гипотезу обычно тут же и отбрасывают, не тратя лишних сил. Если теоретики признают ее теоретическую правильность, гипотеза поступает на контрольную проверку № 2, то есть проверку опытом.

Теоретическая проверка производится с помощью математики. Пишутся и решаются уравнения. Если все в порядке, эти уравнения сами по себе становятся средством дальнейшего развития новых идей.

Роль математики в физике вообще очень велика — настолько велика, что есть даже часть физики (может быть, вернее сказать — часть математики), называемая математической физикой (не смешивать с теоретической физикой!). Деятельность ученых, работающих в области математической физики, имеет следующий характер. Налицо физические идеи, общие физические законы (это и есть теоретическая физика) и выражающие их уравнения; уравнения нужно решать — это дает знание многих важных черт конкретных физических явлений. Но уравнения сложны, решать их — дело огромной трудности. Надо искать эффективные методы их решений, пусть даже только приближенные (как чаще всего и бывает). Здесь нужны как хорошее понимание физического содержания уравнений, так и большое математическое остроумие.

Хороший пример такой деятельности — труды советского физика академика Владимира Александровича Фока.

Едва идеи квантовой механики проникли в сознание ученых и нашли себе многочисленных и пламенных сторонников, возникло требование дать этой теории математический язык, разработать формулы, которые учитывали бы возможно больше факторов, влияющих на движение микрочастицы, помогали бы рассчитывать это движение. Основная задача квантовой механики — найти законы движения объекта микромиров — требовала, чтобы ее решили на математическом языке.

Задача эта была не из легких. Не только потому, что объекты квантовомеханического исследования нельзя сделать непосредственно видимыми никакими средствами. Но если бы даже можно было построить такой микроскоп, который увеличивал бы протон до размеров футбольного мяча (допустим на мгновение такую возможность), то исследователь не увидел бы ничего привычного, потому что свойства протона, как и всякого микрообъекта, представляют собой дуалистическое (двойственное) сочетание свойств волны и корпускулы. Если же мы увеличим протон до обычного тела не условно, с помощью микроскопа, а на самом деле (допустим и такую невероятную возможность!), то и в этом случае ничего не выиграем, потому что, раздувшись до размеров футбольного мяча, протон немедленно утратит все свои «фантастические» квантовомеханические свойства.

Представим следующую картину. Человек опустился в батискафе в глубину моря и увидел мир необыкновенной красоты. Перед ним, тараща глаза, проплывают причудливые рыбы, кругом, как на ночном небе, горят белые и желтые «звезды» — люминесцентные «фонари» глубоководных созданий. Некоторых из них человек улавливает приборами и извлекает на поверхность. Но тщетно будет он искать на столе лаборатории игру волшебных красок и движений, так поразивших его из окна исследовательского снаряда. Поблекнут краски и умрут движения вместе с теми, кто был их обладателем. Вырванные из родной среды, существа морской стихии перестанут быть самими собой.

Кто хочет изучать жизнь обитателей морей и рек, должен сделаться водолазом. Он должен научиться погружаться в чуждую обстановку, а не тянуть в свою (смертоносную для живущих под водой) представителей иной стихии.

Примерно то же можно сказать о современном физике, работающем в наиболее абстрактной области науки — в квантовой механике. Положение здесь даже много сложнее, чем для ихтиолога. В отличие от своего собрата — ученого, изучающего жизнь морей, — ученый-квантовик имеет дело с «существами», размеры которых не превышают триллионных долей сантиметра и которые «живут» в стихии, несравненно более фантастической, чем водные глубины.

Малость — принципиальное свойство микрочастицы. А с этим свойством связаны все другие, и прежде всего то, что движение микрочастицы весьма существенно зависит от окружающей обстановки.

Увлеченный трудностями, раскрывшимися в мире микрочастиц, В. А. Фок еще в молодые годы решил посвятить свою жизнь исследованию этой необычайной стихии. «Батискафом» для него служили воображение и научная абстракция, а языком, которым он описывал «увиденное» в затаенных недрах вещества, — математические символы и уравнения. Природа разговаривает с нами языком формул, — на нем надо ей задавать вопросы, на нем же ждать ответа.

Еще в 1926 году Фок разработал такие формулы, которые учитывали сперва наличие магнитных полей, а потом также и увеличение массы частицы, когда ее скорость приближалась к скорости света. Позднее, изучая движение электронов, Фок принял во внимание и наличие других электронов и эффектов, возникающих при взаимодействии с ними.

Ни один физик до того времени не умел достаточно эффективно учитывать, пользуясь языком математики, всех этих весьма существенных обстоятельств, и расчеты, касающиеся микрочастиц, были поневоле очень неточными.

Вершиной творческих успехов В. А. Фока, однако, следует признать его работы, объединенные под туманным для непосвященных названием «Исследования в области квантовой теории поля».

Слово «поле» для той области мира, где разыгрываются квантовомеханические события, было придумано, разумеется, более или менее случайно. С таким же успехом эта область могла бы быть названа океаном, морем или как-нибудь иначе. Главное не в названии, а в его смысле: раз есть волна, значит, должен быть и простор для нее. И уж совсем неважно, как его обозначить в первый раз (важно потом придерживаться раз придуманного термина).

Исследователи пытливо вглядывались в удивительный мир квантов. К каким только математическим ухищрениям они не прибегали, чтобы разобраться, что происходит в микромире! Чего только не придумывали, чтобы можно было предугадать ход событий на его аренах: ведь первая задача науки — научиться предвидеть будущее по событиям настоящего! Положение усложнялось тем, что полей было не одно, а несколько. В зависимости от сорта частиц существуют поля: электромагнитное, мезонное и т. д. Но проникнуть в тайны мира квантов казалось невозможным. Неведомое было закрыто на крепкий замок. Были ясны многие основные физические идеи, но отсутствовал эффективный математический аппарат для решения ряда важных конкретных задач.

Внимательно смотрел на мир невидимок и Владимир Александрович Фок. Долго и напряженно изучал он поведение частиц при их превращениях. Много пришлось бы говорить о всех трудностях, с которыми он столкнулся. Надежды сменялись разочарованиями. Казалось, постигнуть смысл происходящего невозможно: слишком не приспособлен для этой цели человеческий разум, слишком велик груз обычных представлений…

Но вот наконец победа! Фок раскрывает тайны, казавшиеся непостижимыми. Он проникает в недра Неведомого. Он дает важнейшие математические методы решения большого класса квантовомеханических задач.

Отныне сложные и важные процессы микромира можно рассчитывать, предугадывать изменения, которые происходят в микромире, и делать все это с высокой точностью.

Мировая наука сразу подхватила смелые идеи и методы В. А. Фока и поставила их на вооружение при исследовании взаимодействий мельчайших крупиц материи.

Особенно широкие горизонты раскрылись перед этими методами в квантовой теории поля в годы после второй мировой войны. Если сам Фок вынашивал свои идеи применительно лишь к электромагнитному или электроннопозитронному полю, то они оказались настолько плодотворными и универсальными, что их стали применять и для других полей. Показав, как надо учитывать возможность изменения числа частиц в процессе, Фок облек в математическую форму не только закономерности возникновения или поглощения квантов света при переходе электронов в атоме с одной орбиты на другую, но и некие более общие, применимые и к другим квантам и частицам, закономерности.

Теперь идеи и методы академика Фока широко применяются в различных разделах физики.

Хочу закончить эту главку одним чрезвычайно общим соображением.

Цивилизация, созданная людьми, вполне естественно носит ярко выраженный антропоморфный, то есть человекоподобный, очеловеченный характер. Дома, машины, самолеты, книги, автоматические ручки, меры времени и меры веса, симфонии и ритмы танцев, стихи, философия, наука, словом, все на свете, созданное людьми, — все создано для одного-единственного существа — человека. Все приспособлено под его рост, вес, сроки жизни и расписание дня, духовное развитие, духовные потребности, тонкий зрительный и слуховой аппарат, приспособлено в тех диапазонах, в каких живут предельно отличающиеся друг от друга люди.

Ни одно иное существо, как бы разумно оно ни было, не смогло бы без каких-то специальных приспособлений воспользоваться плодами человеческой цивилизации.

Очевидно, аналогичный вывод надо сделать и по отношению к человечеству, если оно когда-нибудь столкнется с высокоорганизованными внеземными существами.

Будет время, и люди перенесутся уже не мысленно, а вполне реально на другие планеты, в другие обстановки и сферы бытия. Почти бесспорно, что они когда-нибудь отыщут в мироздании иные, чем земной, очаги жизни. Не будем говорить о том, будут ли эти очаги носить следы какой-нибудь цивилизации. Одно бесспорно: кто бы ни жил там — те существа не могут ни в малейшей степени походить на нас. Почти наверняка у человека найдется больше сходства с ящерицей, а может быть, и с деревом, чем с инопланетными существами. Невероятно, чтобы встретилась планета с набором тех же диапазонов, что на Земле: температур, давлений, состава атмосферы, масс живых существ, — с диапазоном жизненных свойств таких существ, их ощущений, чувств опыта и т. п.

Сознание людей потребует какого-то «перевоплощения», отказа от антропоморфности, чтобы понять жителей далеких миров. Может быть, мы уже имеем доказательства того, что люди будущего справятся с такой задачей? Может быть, одно из этих доказательств — то, что ученые находят путь «перевоплощения» для понимания таких миров, как квантовая механика?

Открытие космических возможностей человеческого сознания способно наполнить нас горделивым чувством, дать повод помечтать о новых необъятных горизонтах разума.

Человек, теория относительности и космос

В главке «Масштабные эффекты» мы видели, меняются размеры тела — меняется соотношение сил, действующих на него: одни силы увеличиваются относительно других, другие уменьшаются. Человек, который вздумал бы выявлять законы природы, изучая механическое поведение различных объемов воды, пожалуй, мог бы прийти к выводу, что законы эти различны, и «на уровне росинки» совсем не те, что «на уровне стакана».

Мы видели, почему это неверно. Материальный мир един, едины и управляющие им физические законы. Но так уж он устроен, что на любом «размерном уровне» выпячиваются одни силы и подавляются другие. Резкое уменьшение размеров тел приводит человека в мир, где усиливаются и даже господствуют эффекты, не наблюдаемые в повседневности, хотя они бесспорно есть и здесь. Чтобы их учесть, физики разработали механику микрочастиц — квантовую механику, законы которой в частном случае (при движении больших тел, когда «эффекты малости» приравнивают к нулю) принимают форму обыкновенных законов классической физики.

Оказалось, что и очень резкое увеличение скоростей движения тел делает явными своеобразные эффекты, не наблюдаемые обычно. Их изучает раздел физики, известный под названием «теория относительности».

Пока человек имел дело со скоростями, не превышающими одного-двух (редко больше) километров в секунду, он мог пренебрегать релятивистскими эффектами: они в этом случае исчезающе малы. Успехи атомной физики, описывающей частицы, летящие со скоростями, близкими к световой, уже не допускают подобного пренебрежения.

Что же представляет собой эта знаменитая, но непонятная еще для очень многих физическая теория?

Среди людей, далеких от физики, название теории порой вызывает смутную мысль, что речь идет о чем-то вроде того, что якобы «все в мире относительно». Нет ничего более далекого от истины, чем это утверждение, хотя ссылка на относительность в теории и имеется.

Теория относительности, как мы видели (стр. 75 и далее), состоит из двух частей: специальной теории относительности и общей теории относительности, или, как ее теперь часто называют, теории тяготения. Обе части разработаны Альбертом Эйнштейном и интересны, помимо всего прочего, тем, что в их основе нет ничего нового: только твердо установленные и давно, до Эйнштейна, известные факты. На эту сторону обратил особое внимание еще С. И. Вавилов.

В любой науке наступает момент, когда существующая теория не может объяснить новые явления. Тогда ищут более общую теорию. Теория относительности вобрала в себя классическую физику, не опровергая и не исключая ее.

Создавая первую часть своей теории, Эйнштейн исходил из следующих двух бесспорных, основанных на опыте положений. Одно из них называется обычно (и очень неудачно) принципом относительности: во всех инерциальных системах отсчетов все физические явления протекают по одинаковым законам. Другое основное положение — принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах, она близка к 300 тысячам км/сек и не зависит от того, движется ли источник света или покоится.

Можно показать, что оба эти положения противоречат одно другому, если придерживаться обычных представлений о физических свойствах пространства и времени, точнее говоря, представлений, бывших обычными до Эйнштейна.

Более того, тем, прежним представлениям противоречит и одно лишь утверждение о постоянстве скорости света. В самом деле, возьмем пример. Пассажир разгуливает по палубе теплохода, держа в руках электрический фонарик. Сразу получается парадокс. Пассажир движется с различными скоростями по отношению к теплоходу, к берегу, к Солнцу. А по второму положению теории Эйнштейна луч света от его фонарика струится с одной и той же скоростью по отношению и к палубе, и к берегу, и к Солнцу.

Эйнштейн был первым, кто имел мужество сказать, что если оба положения верны, то они не могут быть противоречивыми, что противоречие надо искать в наших представлениях о явлениях природы, о пространстве и времени.

Эйнштейн нашел путь примирения двух принципов. Для этой цели надо было пересмотреть физические понятия пространства и времени, признать за ними свойства, непохожие на те, что признавала классическая физика.

Как результат примирения противоречия родилась, в частности, формула:

гласящая, что полная энергия, содержащаяся в теле, равна его массе, помноженной на невыразимо большую величину — квадрат скорости света.

Теория относительности содержит в себе много совершенно фантастических на первый взгляд утверждений. Например, оказывается, что длина движущегося тела сокращается в направлении движения, причем тем больше, чем больше скорость тела приближается к скорости света. Однако масса тела при этом возрастает. Возрастает и длительность явлений. В будущем космическом корабле, летящем со скоростью, близкой к световой, затормозятся все процессы, если измерять их по часам, оставшимся на Земле. Медленнее будет биться сердце, медленнее будут расти растения, перемещаться часовая стрелка, колебаться электроны в атомах и т. д.

Стал широко известен часто приводимый пример, что если молодой человек, оставив годовалого сына, слетает на околосветовой ракете к звезде Вега и через год вернется, то сын его будет старше своего отца: ведь отец жил в замедленном ритме: его год может оказаться равным пятидесяти и более годам людей, оставшихся на Земле.

Все это кажется настолько невероятным, настолько противоречит здравому смыслу, что вначале даже многие физики не соглашались с Эйнштейном. Известен случай, когда один американский профессор, прослушав лекцию творца теории относительности, сказал ему:

— Мой здравый смысл не принимает вашу теорию. Он отклоняет все, чего нельзя увидеть собственными глазами.

— Ну что ж! — сказал Эйнштейн. — Кладите свой здравый смысл сюда, на стол. Начнем с того, что проверим его наличие.

Общая теория относительности отличается от специальной тем, что наряду с двумя основными положениями специальной теории принимает еще один — третий — принцип: эквивалентность (равноценность) сил тяготения и инерционных сил.

На крутом повороте дороги вас прижало к стенке автомобиля. «Инерция!» — говорите вы лаконично другу, сидящему рядом с вами и о чем-то мечтающему с закрытыми глазами. «Какая же это инерция, — может возразить ваш друг, не открывая глаз, — когда мы неподвижны? Сбоку появилось массивное тело, и оно притягивает нас».

При всей фантастичности ответа, вы не сможете переубедить приятеля, если он не откроет глаз или если окна автомобиля хорошо завешены. Приборы, захваченные для измерения инерции, ничего вам не дадут, потому что и на приборах по измерению силы тяжести будет то же количество килограммов, действующих в ту же сторону. В этом состоит наглядный смысл принципа эквивалентности инерции и тяготения.

Мир общей теории относительности отличается от мира специальной теории относительности тем, что во втором движение систем отсчета друг относительно друга происходит прямолинейно и равномерно, иначе говоря, без ускорения.

Первый же учитывает общий случай: когда системы отсчета движутся и с ускорениями, например вращаются. Космический корабль с установившимся равномерным движением по прямой подчиняется специальной теории относительности. В моменты же набора скорости, полета по кривой и поворота на обратный курс к нему надо применить выводы общей теории Эйнштейна.

Теория относительности гласит, что релятивистские эффекты времени возникают не только за счет создания больших или меньших разниц равномерных скоростей двух тел. Время замедляется и на более массивных телах (например, на Солнце или на белых карликах). Наоборот, на небольших телах длительности явлений сокращаются: часы на искусственных спутниках убыстряют ход по сравнению с часами на Земле.

Эквивалентность тяготения и инерции проявляет себя в том, что совсем не обязательно увеличивать массу тела, чтобы получить на нем релятивистские эффекты: достаточно придать ему большое ускорение. «Искусственные килограммы» — за счет ускорения — удлинят промежутки времени на ракете так же, как удлинили бы естественные килограммы за счет роста массы.

Самым убедительным подтверждением правильности физической теории является, конечно, опыт. Какими же опытами проверялась теория относительности?

Пожалуй, самыми известными из них являются те, что связаны с наблюдением лучей звезд у края солнечного диска во время затмений. Если световые волны обладают, как утверждает теория, массой, то они, по закону всемирного тяготения, должны притягиваться другими массами, допустим Солнца. Так в действительности и происходит. Наблюдения во время солнечных затмений показывают, что лучи звезд отклоняются от прямолинейного пути, проходя мимо нашего светила. Это выражается в кажущемся смещении звезд, расположенных в непосредственной близости к краю Солнца.

Другая важная проверка теории Эйнштейна касалась того утверждения общей теории относительности, которое гласило, что свет, обладая инертной массой, частично теряет энергию, чтобы вырваться из поля тяготения испускающего его тела (например, звезды). Физика утверждает, что при этом должно произойти «покраснение» света, точнее говоря, некоторое удлинение световых волн и сдвиг их в красную сторону спектра. Явление это называется гравитационным красным смещением.

И что же! Такое смещение на самом деле наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд.

Интересная проверка эффекта замедления хода часов в поле силы тяжести была проделана совсем недавно (но уже многократно) с помощью точнейшего прибора для измерения частот, основанного на так называемом эффекте Мёссбауэра (по имени молодого физика из ФРГ Рудольфа Мёссбауэра, работающего теперь в США и открывшего этот эффект). Из теории относительности следует, например, что если двое совершенно одинаковых часов поместить друг от друга на расстоянии 1 метр по высоте, то нижние часы должны отставать от верхних на 10^-16 секунды, так как они находятся ближе к центру Земли и на них действует большая сила тяготения, чем на верхние часы. Эффект Мёссбауэра позволил найти такую разницу!

Можно было бы назвать и другие примеры успешных проверок теории относительности, но мы ограничимся приведенными. Скажем лишь одно.

Положения теории относительности теперь настолько убедительно подтверждены, что к ним нельзя относиться иначе, как к законам природы. Допустить нарушение какого-нибудь из этих положений можно лишь с попутным допущением нарушения того порядка вещей в природе, который нам представляется незыблемым.

Правда, среди нефизиков встречаются активные противники идей Эйнштейна. Но доводы их — по логике — не отличаются от тех, что приводили в свое время противники шарообразности Земли.

В науке спор о справедливости теории относительности решен давно, и решен на опыте: теория эта верна. Если же она не в ладах со «здравым смыслом», то тем хуже тому «здравому смыслу», который противоречит научным выводам. Важно, что теория в ладах с экспериментом, с практикой, а, как известно, нет критерия истинности более надежного, чем этот чрезвычайно строгий материалистический критерий.