«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

 

 

Макс Борн

 

 

 

Без долгих разговоров ясно: открытие такой черты в «устройстве природы» должно было привести к неисчислимым последствиям и в «устройстве знания». Еще бы! Хотя миф о точности природы развеялся, закономерность хода вещей от этого не пострадала: она была лишний раз подтверждена. Но не просто, а по-новому подтверждена. С неизбежностью открылось, что на микроуровне бытия природы господствует какой-то новый вид физических закономерностей.

 

Теперь вы понимаете, что то были не пустые слова — слова о революции, которую начали в естествознании XX века две первые элементарные частицы материи — фотон и электрон. Так это называется на языке истории. Только революции не довольствуются поправками к старым законам — улучшениями и расширениями. Только революции меняют дух всего законодательства. «Кто был ничем, тот станет всем!»

 

В природе открылось нечто, прежде неведомое; потому и новое физическое знание должно было по строю своему стать иным, чем бывало прежде. Иным по духу исследований. Иным по типу предсказаний. Иным по стилю мышления. Иным по математическому одеянию.

 

Раскройте едва ли не на любой странице курс квантовой механики. Если вам случалось заглядывать в старые книги по физике, вы испытаете совершенно то же чувство, какое испытывает человек, впервые в жизни раскрывший том Маяковского: «Что это? Как странно выглядят эти стихи! А где же ровные коробочки строф, которые я знал и любил?»

 

Тревожат мысль и волнуют воображение не частные параграфы нового физического законодательства — это предмет озабоченности специалистов. А сознание каждого думающего современника бередит засекреченная в недоступных формулах сама новизна открывшихся в' микромире закономерностей — дух и пафос нового законодательства. Вот об этом и осталось поговорить.

 

Кто же прежде «был ничем», а «стал всем» в физике наших дней?

Если сразу сказать, вы не поверите. Сначала смутитесь — потом взбунтуетесь. Но все-таки лучше сразу сказать:

— Вероятность!

 

Удивительно, что это прояснилось еще до того, как Вер- нер Гейзенберг открыл соотношение неопределенностей. Правда, совсем незадолго до этого, но все же — до, а не после.

 

Казалось бы, что, кроме «каморки неточностей», могло навести на мысль о новом типе закономерностей! А между тем эта мысль словно бы витала в^оздухе7тготорым дышали физики в середине 20-х годов. Нехотя с тех пор прошло, по историческим масштабам, не так уж много времени, хотя живы еще почти все главные действующие лица и каждый может сказать, как было дело, говорятся по этому пов.оду разные вещи. В учебных курсах и монографиях чаще всего не указывается, кто же первый высказал вслух смущающую мысль о новой, небывало великой роли Случая.

 

Это любопытная подробность в квантовой драме идей. Появилась фундаментальная идея и зажила в науке безыменной — совсем как изобретение колеса.

 

Отчего же? Не оттого ли, что родилась она естественно, как фольклор, и имела сразу многих авторов, пришедших к ней независимо друг от друга? Или, может быть, все было сложнее: не показалась ли она сначала такою спорной и необязательной, что никому и в голову не приходило увековечивать нелепость? Ну, а позже, когда соотношение неопределенностей было уже найдено и странная идея стала неизбежной, не показалось ли, что уж теперь-то она и вовсе не нуждается в авторском свидетельстве? (Когда что-нибудь добывается логически «само собой», об авторе не говорят.) Наверное, все вместе и есть правда.

 

Но автор был. В полемических статьях, в воспоминаниях все; как правило, называют Макса Борна. Однако иногда, как это делает де Бройль, добавляют осторожное — «по-видимому». Во всяком случае, Борн с удовольствием принимает на себя вину. Не без гордости рассказывает он, как первым посягнул на прежнее физическое законодательство. Произошло это в те самые дни 1926 года, когда молодой Гейзенберг обвинил его в измене, так как он проявил «непонятный» интерес к волновой механике Шредингера.

 

В сущности, Макс Борн хотел получить разумный ответ на простейший вопрос: что это за волны, для которых Шре- дингер написал свое замечательное уравнение? Или — еще яснее и резче — волны чего?

 

Разумеется, сразу приходят на ум «волны материи» волны де Бройля. И даже думается: да о чем тут, собственно, надо было гадать? Разве тайной было, что Шредингер прямо исходил из дебройлевской идеи волнообразности ча« стиц? Нет, тайны из этого никто не делал. Но уж мы-то с вами не раз имели случай убедиться, как далеко уходят ученые в своих исканиях от первоначальных идей. И как они сами не могут предвидеть, куда заведет их логика открытия... Так началось с разрешенных боровских орбит в планетарном атоме, а кончилось гибелью этих орбит. Пожалуй, прав был де Бройль, когда жаловался, что дети становятся слишком самостоятельными и перестают слушаться своих родителей. В науке это происходит так же часто, как и в жизни.

 

Нечто похожее испытал и Шредингер.

 

В душе создателя волновой механики жил неумирающий классик с наследственным доверием только к непрерывности физических процессов. Он-то, этот классик, и питал отвращение к прерывности квантовых скачков. И, право же, тут будет над чем задуматься писателю, который пожелает со временем написать научно-художественный портрет Шредингера. Тайный консерватор в гениальном новаторе сыграл необычную роль. Он не сделал новатора осторожней и трусливей. Напротив, удвоил его неистовость. Во имя спасения в картине природы — спасения любою ценой — классической, нигде не нарушимой непрерывности, он, этот недремлющий классик, заставил Шредингера не только возненавидеть новую идею скачков, но и отступиться от старого образа корпускул. «Пожертвуй всем!» — сказал ему классик. И Шредингер отважился на сверхноваторскую надежду — всю материю мира свести к непрерывным волнам!

 

Он в самом деле мечтал избавить картину природы от двойственного лика элементарных частиц. Он верил, что из неких волн можно теоретически смастерить корпускулы, то есть показать, что они — волновые образования и, следовательно, «вначале были волны». Де Бройль, впервые заговоривший о «волнах, материи», никогда не заходил так далеко. (Он писал недавно, разбирая тонкости старых споров: «Шре- дингер, который не верил в существование частиц, не мог следовать за мною».)

 

Вообще-то говоря, конструирование из любых волн подобия частиц дается физикам без особого труда. Волны ведь умеют гасить одна другую, когда их гребни и впадины не совпадают, и они умеют взаимно усиливаться, когда гребень приходится на гребень. Не надо ничего воображать, надо лишь вспомнить зрелище реки, взбудораженной разными волнами — высокими и низкими, длинными и короткими: в этой разнобойной мешанине волн нет-нет да и выплеснется где-нибудь непомерно вздыбленный гребень, а вблизи от него водяная поверхность окажется на мгновенье гладкой, точно притихшей и обессиленной, отдавшей все свое беспокойство этому единственному гребню. Так наложение множества простых волн разного ритма и размаха колебаний создает новую сложную волну. У нее может быть любая форма — это давно доказано математиками.

 

Наложившись одна на другую, составляющие волны могут погаситься взаимно во всем пространстве, кроме одной маленькой области, где отдельные горбики соединенными усилиями поднимут единственный высокий гребень.

 

Так математически достигается желаемое. Волны с их «размазанностью» по пространству словно бы исчезают совсем. Остается сжатое в кулачок волновое образование — волновой пакет, по образному выражению физиков. Всплеск материи! Корпускула!

Вот о чем-то в этом роде Шредингер и мог мечтать.

 

Надо и нам признаться: образ волнового пакета очень соблазнителен — он выручает из беды нашу мысль и наше воображение, которым так трудно осилить противоречивое сочетание «волна-частица». Ведь и вправду — образ волнового пакета просто снимает это противоречие: частица сделана природой из волн, вот и все. А тут еще на счастье — волновое уравнение Шредингера для описания движения в микромире. Ведь Шредингер вывел его для некоей величины, которая волнообразно меняется во времени и пространстве, и назвал эту величину не слишком затасканной греческой буквой «пси», как бы предупреждая, что с такой физической величиной наука еще не имела дела. Сразу возник соблазн: думать, что его уравнение как раз и показывает, «из чего и как» природа мастерит корпускулы. Пакет из пси- волн — вот и частица!

 

Шредингер вначале так и думал. Электрон в атоме водорода представлялся ему облачком, волнообразно меняющим в атомном пространстве свою плотность — плотность электрического заряда. Иными словами, шредингеровские пси- волны сперва действительно могли показаться реальными «волнами материи». И на первый взгляд все так хорошо получалось, что даже в толк взять нельзя, зачем надо было физикам доискиваться какого-то таинственного смысла волновых построений Шредингера? Непонятно — над чем тут голову ломал Макс Борн?

 

Да и, наконец, что за нелепость: неужели бывает так, что теоретики сначала сочиняют формулы, а потом додумываются до их истинного физического содержания?!

 

Бывает. Создатели квантовой механики никогда не скрывали, что с ними так именно и случилось. Весною 1929 года, читая лекции в Чикагском университете, Вернер Гейзенберг смутил заокеанскую аудиторию не совсем обычным признанием: «Нужно указать, что развитие математического аппарата квантовой механики предшествовало физическому пониманию атомной физики».

 

Такие вещи поражают. Ведь со стороны большинству людей точная наука рисуется хорошо налаженным «логическим производством» истин: природа доставила сырье, исследователи переработали его своим физическим пониманием, на склад ушла готовая продукция безупречных формул. Так выглядит физика в учебниках: не драма идей, а приходная ведомость. Или расписание поездов. Это по необходимости: иначе ни один изучающий никогда не доехал бы до станции назначения. А в действительности расписания нет, и наука, как поэзия, «вся — езда в незнаемое». И, может быть, физике повезло, что квантовая механика сначала была создана, а потом по-настоящему понята: неизвестно, хватило бы у строителей решимости воздвигать ее здание, если б знали они заранее, на каком фундаменте строят.

Волновые пакеты, к сожалению, не годятся на роль частиц. И выручить из беды воображение физиков — свести корпускулы к волнам — им не было суждено.

 

Их отличает скверное свойство: с течением времени они расползаются по пространству. Быстрее ли, медленнее, но обязательно расползаются. Даже без доказательств физическое чутье подсказывает, что это неизбежно. Возникший нечаянно из хаоса волн на реке одинокий гребень не живуч. Разномастные водяные волны движутся с разными скоростями, и потому упаковка их в этом гребне временна, непрочна.

 

Будь электрон волновым пакетом, его ждала бы та же судьба. Раньше или позже он расплывался бы, и уж, конечно, экспериментаторы нашли бы способ это заметить. И не только заметить: они смогли бы отделить — отсечь — часть электрона от остальной его растекшейся по пространству плоти.

 

Между тем всюду и всегда электрон проявляет себя как нечто целое. Как единая порция электрического заряда. Как неделимый квант энергии-массы. В этом смысле он по праву носит название элементарной частицы: во всех взаимодействиях он участвует целиком — всем своим существом.

 

Однако ведь по знаменитому ленинскому прогнозу — электрон неисчерпаем! И, разумеется, придет день, когда физикам станет известно, как он «устроен». Но не стоит думать, что в этот знаменательный день они сумеют отрезать от электрона «кусочек заряда» или отщипнуть от него «кусочек волны». Наверняка можно только сказать, что они узнают в этот день механизм его удивительной цельности. И, конечно, тотчас начнут копать дальше. Какая бы картина ни открылась перед физиками в недрах электрона, пакетом из волн он все равно не окажется. Судьба волновых пакетов — не его судьба. Он неограниченно устойчив.

 

Таков же фотон. Таков протон.

 

Нет, любые попытки увидеть в элементарных частицах конструкции из пси-волн тотчас превращали их вопреки природе в обреченные создания, тающие в пространстве. И физики, сразу отказались от этих попыток. Кажется, только Шредингер продолжал надеяться на что-то и даже недавно, в 50-е годы, еще лелеял свою старую веру в волны, волны, еще раз волны, и только волны. Мы на его месте...

 

Смешно звучит — «мы на его месте», но, наверное, и мы на его высоком месте в науке тоже упорствовали бы. Нам пришло бы в голову, что ведь и атом сначала выглядел обреченным, когда Резерфорд усмотрел в нем маленькое подобие солнечной системы. Электроны в таком атоме должны были неминуемо падать на ядро, и классическая физика спасти планетарный атом не могла. И все-таки Резерфорд не отказался от своей модели. И с нее начались квантовые скачки Бора, волны де Бройля, двойственность материи, квантовая механика.

 

Так, может быть, и заманчивый образ волновых пакетов вовсе не надо было бросать?

Впрочем, этот образ уже и нельзя было просто отбросить, даже если б физикам и хотелось от него освободиться. Волновое уравнение Шредингера прекрасно служило механике микромира. Его решения — пси-функции или пси-волны — безошибочно описывали, скажем, поведение электрона в атоме водорода. Значит, они отражали то, что Эйнштейн называл «краешком истины». Ну, а эти решения, эти физически непонятные пси-волны, как бы сами собой, по воле математики, слагались в волновые пакеты. И получалось так, что электрон, если и не сконструирован из волн, то все-таки движется как бы в волновой упаковке. А удержать эту волновую упаковку от расползания было немыслимо — та же математика диктовала тут свою волю.

 

Так неужели только оттого, что «математика велела», электроны и любые частицы обязаны были растворяться в пространстве, как жемчужины в уксусе?

Конечно, с математикой шутить нельзя — она неподкупна. Но частицы надо было спасти! Это повелевал опыт. Совершенно так же, как в 1911 году он повелевал спасти планетарный атом. И так же, как атому помогла уцелеть проницательность Нильса Бора, догадливость физиков должна была выручить из трудного положения элементарные частицы, закутанные в странные волновые пакеты. Не так ли?

 

Все очень резонно.

 

Однако это и значило, что физикам надо было понять, о чем же рассказывает им честная математика? Какие свойства природы прячутся за шредингеровскими пси-волнами, раз уж это наверняка не волны материи? Короче, физики задним числом вынуждены были осмыслить дело собственных рук. Макс Борн первым вник в непонятное. Или по крайней мере первым во всеуслышание и обоснованно заговорил о физическом смысле пси-волн, отвергнув шрединге- ровскую «волновую ересь».

 

Нет, сначала он только почувствовал правду.

 

Он вспоминает об этом, как человек, которого осенило: как поэт о счастливой строке или актер о внезапно найденном жесте. «Когда появилась волновая механика Шредингера, я сразу почувствовал, что она...» Дальше следует мудреная фраза на физико-математическом языке со всякими там «амплитудами вероятности» и «квадратами модуля пси», так что кажется непостижимым, как подобные вещи можно почувствовать, да еще сразу.

 

Однако по свидетельству многих теоретиков, например академика Ландау, новые идеи приходят к ним именно в виде математических или полуматематических образов.

Физики переживают подобные внутренние события нисколько не реже и нисколько не менее сильно, чем поэты или изобретатели. Осеняет ищущего. Рассказывают, что, когда Ньютона спросили, как открыл он закон тяготения, он ответил: «Я думал об этом». И во что бы ни отлилось позже озарение ищущего — в художественный образ, формулу или конструкцию, оно, это озарение, имеет еще и предысторию. Оно возникает на уже возделанном поле. Его предыстория — незаметная работа мысли. Его почва — глубокое чувство реальности. И право же, не видно, чем тут отличается исследователь от художника?

 

 

К содержанию книги: Научно-художественная книга о физике и физиках

 

 Смотрите также:

  

Физика. энциклопедия по физике

Книга содержит сведения о жизни и деятельности ученых, внесших значительный вклад в развитие науки.
О физике

заниматься физикой как наукой или физикой, которая...

Эта книга адресована всем, кто интересуется физикой. В наше время знание основ физики необходимо каждому, чтобы иметь правильное представление об окружающем мире

Энциклопедический словарь

И старшего. Школьного возраста. 2-е издание исправленное и дополненное. В этой книге  Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках

 

И. Г. Бехер. книга Бехера Подземная физика

В 1667 г. появилась книга И. Бехера «Подземная физика», в которой нашли отражение идеи автора о составных первоначалах сложных тел.

 

Последние добавления:

 

Право в медицине      Рыбаков. Русская история     Криминалист   ГПК РФ