«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Ньютон. Закон тяготения. Простая формула для взаимного притяжения двух масс. Небесная механика

Точнейшие совпадения с наблюдениями над ходом светил. И—столетние споры: как устроен мир, в котором действуют силы гравитации? Что это за силы? Ведь если бы Земля вращалась вокруг Солнца на стальном тросе толщиной с земной диаметр, этот трос ее не удержал бы, он лопнул бы от перегрузки и Земля улетела бы в мировое пространство, как камень, сорвавшийся с пращи. Это подсчитал один физик, дабы ясно показать, как удивительна мощь тяготения, привязывающая планеты к Солнцу без посредства какого бы то ни было вещества. Так что же, массы плавают в пустоте? Через непостижимое ничто с чудесной мгновенностью действуют тела друг на друга? Математически ньютонов закон тяготения допускал это. Но можно ли было поверить в истинность такой картины природы — в такую физическую реальность?!^

Квантовая механика, пробравшись в глубины атома, привела оттуда толпу новых физических загадок и непонятно- стей. Действительных и мнимых. Эйнштейн умер в 1955 году, оставив на полях трактатов до квантовой физике нестертые знаки вопросов, не доказав основательности многих одолевавших его сомнений и не опровергнув того, с чем не мог смириться. Помните его письмо де Бройлю о «гадких квантах»? Он написал его всего за два года до смерти.

Как раз в ту пору — в начале 50-х годов, кроме уже стареющего де Бройля, еще и молодые теоретики из разных стран выступили со своими попытками нового физического истолкования математических законов квантовой механики. Ими руководила та же надежда, что и де Бройлем, — надежда обрести в микромире утраченные траектории. И как некогда в 20-х годах, в эпоху рождения новой механики, академические аудитории и страницы научных изданий вновь стали в наши дни ареной споров «на старые темы».

Вообще-то говоря, эти споры никогда надолго не затихали на протяжении последних тридцати лет. Спорили физики и математики, философы и публицисты, люди дела и люди слова. Новизна открывшейся картины движения в Малой вселенной атома взбудоражила все умы. Но в этой непрерывной борьбе вокруг механики микромира, пожалуй, всего замечательней был именно духовный союз Эйнштейна и де Бройля, потому что никто из физиков не сделал больше, чем они, для самого зарождения новой механики с ее миром утраченных траекторий. Они дали ей первые идеи.

Так была ли неизбежность в появлении этого странного мира? Что лежало в начале начал?

Эйнштейн теоретически открыл, что у световых волн есть свойства частиц. Это произошло в 1905 году.

Де Бройль теоретически предсказал, что у частиц вещества есть свойства волн. Это произошло в 1923 году.

Косвенные, отдаленные, очень смутные и отнюдь не экспериментальные данные намекали учёным, что природа, быть может, снабдила материю во всех ее проявлениях симметрией этих противоположных свойств — волн и корпускул. В убеждении, что такая симметрия или равноправие существуют не «быть может», а на самом деле, и лежало начало начал.

«Для того чтобы рискнуть сделать этот вывод, требовалось так много мужества... что, по-видимому, только два физика—сам Эйнштейн и Луи де Бройль — решились на это». Так говорил известный теоретик Паскуаль Иордан — один из тех истолкователей микромеханики, которых де Бройль относит сейчас к разряду «авторов трактатов», забывающих своих идейных родителей. Тут, кстати, видно, что этот упрек не очень справедлив: столь смиренно и восхищенно не говорят о заслугах отцов неблагодарные дети.

«Эйнштейн долго вынашивал эту идею, не опубликовывая ее, — читаем мы дальше,—так как он не получил никаких результатов, которые дали бы возможность формулировать ее количественно». Де Бройль такие результаты получил. Он и вправду решился на шаг, редкий по мужеству даже в отчаянно-смелом естествознании нашего века.

...Обычно физические идеи возникают так: ученого загоняют в тупик необъяснимые факты — он предполагал, что \кривая будет ползти вверх, а она опускается вниз; он не ожидал, что спектральная линия вдруг окажется почему-то раздвоенной; он заметил, что стрелки приборов систематически скачут без (всяких видимых причин. Как понять непонятное? Может быть, выдвинуть предположение, что тут замешаны новые силы, или неизвестные частицы, или какие-то «дикие» законы природы? Но, наверное, эта догадка покажется коллегам нелепостью. А все же попробуем — посмотрим, не помогает ли она делу?.. Возникает рабочая гипотеза.

Ведь именно так, подчеркнуто-скромно, называл поначалу свою великую идею неделимых порций энергий Макс Планк. Он чувствовал робость перед ее революционностью—кванты посягали на слишком многое, а появились только для уяснения одной-единственной проблемы. Эта робость ученого перед необъятно широкими последствиями его собственной рабочей гипотезы — свидетельство совершенно конкретного «лабораторного» происхождения квантовой теории, доставившей впоследствии столько забот физикам и философам нашего времени.

Так всегда — необъяснимость или, вернее, необъяснен- ность фактов дает толчок ищущей мысли физика. И опытное происхождение глу(бочайших идей не умаляет их (величия. Но когда они рождаются в поисках выхода из лабораторного тупика, ищущая мысль в своем вольном полете все время испытывает спасительную поддержку в заранее установленных надежных фактах. Они не позволяют ей заблудиться. Маршрут полета неведом, траоса никем не проложена, но конечный пункт известен—он отмечен в дневниках экспериментаторов. И пустившийся в полет теоретик знает, где его ждут давно и нетерпеливо.

Так, Эйнштейн, заговорив в 1905 году о частицах света, имел уже^в., сущности, совершенно надежное экспериментальное доказательство своей правоты: световые волны не всегда ©ели себя* как волны—они выбивали электроны с поверхности вещества на манер падающих градинок, а не порывов ветерка. Конечно, это надо было увидеть, понять, провозгласить! Но Эйнштейн проложил небывалый путь к уже обитаемому острову.

А бывает не так.

Вряд ли Менделеева ждали с цветами, когда он пустился на поиски периодического закона: незадолго до его блестящего успеха попытки англичанина Ньюлендса найти такой же закон были встречены издевательским вопросом со стороны почтенных британских химиков: «А вы не пробовали располагать элементы просто в алфавитном порядке?» Относительный вес многих атомов (во сколько раз они тяжелее водорода) был еще неточно измерен, чуть не треть элементов вообще не была еще открыта. Менделеев сам на бумаге исправлял атомные веса, как считал это нужным, ибо не верил экспериментальным данным: они противоречили его руководящей идее. Он оставлял пустые клетки в своей таблице, надеясь на будущие открытия. Лишь завтрашний день науки мог действительно подтвердить его правоту. И—подтвердил, по-новому обосновав и уточнив, но не отвергнув менделеевский принцип построения таблицы химических элементов.

Так, лишь на будущие успехи экспериментаторов мог рассчитывать Луи де Бройль, когда в 1923 году он заговорил о «волнах материи»: еще ни в одной лаборатории, никем и никогда не наблюдались волновые свойства вещества! Еще меньше, чем Менделеев, он мог надеяться на радостную встречу впереди. Ни малейшей опоры в опытах не ймелаего ищущая мысль. Он летел к острову, покуда что совсем необитаемому.

На какой же почве возникли его идеи? Ведь в настоящей науке беспочвенных идей не бывает. Даже научные фантасты— вольные стрелки — не часто позволяют себе подобные свещи: они привязаны если не к выводам, то к надеждам науки. И когда их воображение отрывается от этой почвы, они, конечно, остаются фантастами, но перестают быть научными. У физиков и такого выбора нет!

Перед мысленным взором де Бройля маячили разрешенные орбиты электронов в атомном пространстве. Расчисленные в 1913 году Нильсом Бором, эти орбиты спасли планетарную модель Резерфорда. Но физики уже десять лет задавали себе вопрос — почему одни орбиты разрешены природой, а другие нет? Почему они образуют прерывистую последовательность, как ряды в круговом амфитеатре цирка или нити в паутине? Что вынуждает электроны к скачкам с одной устойчивой орбиты на другую? Почему в атоме создается лестница дозволенных уровней энергии — почему лестница, а не пандус?

Как ни удивительно, но именно в этой-то прерывистости атомных состояний де Бройль почувствовал намек на волновые свойства вещества. Это удивительно потому, что ведь во всякой волне что-то меняется непрерывно. А в атоме как раз наоборот — господствует прерывистость. Так где же здесь можно было заподозрить вмешательство каких-то волновых процессов?

Однако вот мы сидим на морском берегу и от цечего делать считаем набегающие волны — одна, другая, третья... Мы их считаем, но нам и в голову не приходит, что своим прерывистым счетом мы внешне описываем непрерывный процесс. А прислушайтесь к тиканью часов. Это ведь непрерывные колебания невидимого маятника пунктиром отмеривают для нас время. У волн и колебаний — одна и та же существеннейшая черта: периодическая повторяемость, внешняя дробность.

Но подождите, к квантовым скачкам такая дробность еще не имеет никакого отношения — ни малейшего! Это мы, наблюдатели, перескакиваем взглядом с гребня на гребень или слухом — с «тика» на «так», а. в самом-то волнообразном движении морской воды и в самих-то качаниях маятника непрерывность не нарушается нигде. Ну, а боровские перескоки электронов в атомах — это настоящие прыжки с испусканием неделимого кванта энергии излучения. Половины или восьмушки кванта атом ни излучить, ни поглотить не может: об этом говорят прерывистые атомные спектры и другие многочисленные свидетельские показания опыта. Между двумя квантовыми уровнями энергии в атоме никаких промежуточных, разрешенных природою уровней нет. Электрон действительно скачет через пропасть невозможного. Это совсем не похоже на перекатывание по волне с гребня на гребень.

И все же между этими столь несхожими картинами де Бройль увидел глубокую связь. Глубокую и очень простую.

Он подумал: а не сопутствует ли движущемуся электрону какая-то волна? Нет, глагол «сопутствует» не точно выражает мысль, осенившую де Бройля. Он подумал: не связан ли электрон с какой-то волной, которая как бы ведет его — управляет его движением? Тогда в поведении электрона, как частицы, должно невольно отражаться поведение этой пока неведомой волны.

Вызовите снова в своем воображении образ крошечной солнечной системы. Вот электрон пролетает мимо вас по одной из разрешенных природой орбит. Совершив полный оборот (вокру/г ядра, он вновь появится перед вами в той же точке, где вы его засекли. Он появится, ничего не приобретя и ничего не потеряв, как настоящая планета: извне к нему энергии не притекало, и сам он энергии не излучал — орбита устойчивая, разрешенная. Естественно, что и предполагаемая волна, которая вела электрон, должна выглядеть в отмеченной точке совершенно так же, как в начале оборота: если был у нее в нашей точке гребень, то и теперь, через полный оборот, когда она перекатилась по всей орбите, у нее снова должен быть гребень. А если была, скажем, середина ската, то и через оборот должна снова появиться середина ската. Иначе, отчего бы при возвращении электрона в ту же точку его состояние оставалось прежним? Ведь если в поведении электрона отражается поведение его волны, а она к концу оборота не совпала сама с собой, то, значит, в жизни электрона что-то изменилось за это время. А между тем не изменилось ничего: он летел по устойчивой орбите.

Но орбита не прокладывается для электрона кем-то заранее. Она не подвесная железная дорога, опоясывающая на нужной высоте ядро, так что электрону остается только смирно катиться по ней. Электрон сам прочерчивает в атомном пространстве эту устойчивую, «боровскую трассу». Так вот, мы вправе сказать, что, по мысли де Бройля, разведчиком такой трассы служит для электрона связанная с ним волна.

Он мчится устойчиво по таким кругам или эллипсам, по которым может прокатиться за один оборот только целое число его волн: одна, две, три или двадцать три — это не важно. Важно лишь, чтобы на замкнутом пути вокруг ядра умещалось обязательно целое число электронных волн. Тогда в той точке, где вы заметили гребень, через оборот снова будет гребень. И через тысячу оборотов тоже гребень, а не впадина волны и не середина ее ската. А значит, и с электроном ничего не будет происходить, пока он вращается по такой орбите.

Вот по каким путям дебройлевская волна-разведчица ведет электрон! Немного позднее, уже в разгар отчаянных споров вокруг идей квантовой механики, де Бройль назвал ее «волной-пилотом». Так нащупал он возможный принцип, по которому природа разрешила одни орбиты и запретила другие: разрешены те, в которых укладывается целое число электронных волн.

Тогда сразу делается ясным — отчего в атоме возникает лестница устойчивых состояний. Две дозволенные боровские орбиты не могут тесно прилегать одна к другой: будь они бесконечно близки, они бесконечно мало отличались бы по длине. А это-то как раз и невозможно — одна должна быть длиннее другой по крайней мере на целую электронную волну! Если это круги, между ними появится кольцевой просвет. Иными словами, устойчивые пути электрона IB атоме действительно должны быть раздвинуты, как ряды в амфитеатре цирка, который отличаются друг от друга на целое число кресел — не на полкресла или на треть, а на целое — только целое!—их число.

Тогда ясно и другое, самое главное: перейти с орбиты на орбиту постепенным переходом электрон действительно не может: он вынужден перескакивать через пропасть неустойчивости единым махом — одним прыжком.

...Так пригодилось физике, казалось бы, вполне бессодержательное, праздное занятие — пересчитывание набегающих волн: одна, другая, третья... В еще никем не наблюдавшейся и не возвещенной никакими опытами волновой природе электрона Луи де Бройль разглядел возможную причину квантовой прерывистости состояний атома — квантовой лестницы уровней энергии в нем.

Как и прежде, нам не до подробностей. Как и прежде, нас всего менее увлекает то, что всего более занимает физиков: те разнообразные детали научного познания, в которых гнездятся подвохи и каверзы, те «мелочи», на которых часто спотыкаются в своем победном шествии новые теории. Но то, чего нельзя здесь пропустить, вовсе не детали, а, пожалуй, самое существенное.

Представьте, что де Бройль сказал бы лишь одну фразу: «Я почему-то думаю, что электрон не только частица, но и волна». Вероятно, никто не обратил бы на это ни малейшего внимания. Если бы далее он привел серьезные соображения в, пользу этой мысли, она наверняка произвела бы большое впечатление на одних физиков и показалась бы нелепостью другим. Но даже сторонники его идеи все-таки не рискнули бы еще объявить, что в науке о микромире сделано важное открытие. Знаменитый Петр Николаевич Лебедев в одном письме, к Тимирязеву вспоминал слова Менделеева: «Оно, конечно, сказать все можно, а ты пойди демонстрируй!»

Сколько удивительных предвидений похоронено в лекциях и речах, дневниках и письмах ученых всех стран и времен! Проходят десятилетия и века — историки находят эти брошенные наудачу зерна и2 как правило, видят одну и ту же картину: не было подходящей почвы, чтобы случайный посев взошел. Они видят: поразительно верные догадки не могли еще отлиться в строгие формулы и подсказать нужные эксперименты. Они видят: науке еще нечего было делать с этими прозрениями.

Герцен в «Былом и думах» восхищался талантливым московским профессором физики Михаилом Павловым. Его восхищение стократно возросло бы, если б он мог оценить, что Павлов за сто лет до Резерфорда говорил о планетарном строении атома. Это ли не пророчество? Но совсем не случайно оно не оставило никакого следа в науке. В начале прошлого века оно не могло стать руководящей идеей для физиков — вот и вся причина забвения. Ни Павлов, ни его современники не знали об атомах решительно ничего достоверного, ничего не ведали о повадках излучения, не имели представления даже о законе сохранения энергии. Павлов ничего не мог ни сосчитать, ни измерить. Он так же бессилен был бы доказать свою правоту, как другие его опровергнуть.

А Лебедев? Он за тридцать лет до Резерфорда тоже пришел к мысли о планетарном атоме. Но снова — рано было, слишком рано еще было! И он доверил свое удивительное прозрение только личному дневнику: всю жизнь он считал и измерял, а Тут к расчетам и измерениям нельзя было даже подступиться. Переполненный идеями и замыслами, он недаром так хорошо помнил замечательно точные и сердитые слова Менделеева: «Пойди демонстрируй!»

Де Бройль высказал свою догадку не рано и не поздно, а на редкость вовремя. Хотя летел он к необитаемому острову, физика уже приготовила для такого полета навигационные карты. Он смог облечь свою мысль в предположительные формулы и смог подсказать экспериментаторам возможные измерения.