«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Принципы квантовой механики и их толкование

Была еще одна причина, по которой хотелось оттянуть подальше к концу это малоприятное сообщение о грехопадении безгрешных: я подумал — их утверждения уже не потребуют скучного многословного оспаривания после рассказа о физических принципах квантовой механики, после битвы физических идей. И разве это не так? Разве нужно еще специально доказывать, что крушение классической причинности не есть конец причинности вообще? Разве, нужно доказывать, что случай — не произвол и хаоса не рождает, что природа держит его в узде своими вероятностными закономерностями? Разве нужно доказывать, что все обилие возможностей в движении волн-частйц существует независимо от наших лабораторных опытов и что распределение вероятностей между этими возможностями каждый раз закономерно? Словом, откидывая всяческие тонкости философских споров вокруг принципов квантовой механики, нужно ли доказывать, что ее физическое содержание нигде и никак не противоречит материалистической диалектике? «Ибо единственное «свойство» материи, — говорил Ленин, — с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания». Где же, в каком пункте своих построений квантовая механика могла дать повод говорить, что микромир и его закономерности объективной реальностью не обладают!

Такого пункта днем с огнем не сыскать — в квантовой механике, как и в любой науке о природе. Разумеется, какой- нибудь измотанный бессонницами астроном может вдруг сказать: «Знаете ли, поведение Луны — глупо!», но смешно подумать, чтобы его коллеги стали с ним спорить: «Нет, Луна ведет себя очень умно!» Физические явления и математические закономерности не могут быть глупыми или умными, идеалистическими или неидеалистическими. Таковыми могут быть только мнения ученых —их толкования законов и фактов.

Так, может быть, не стоило здесь вообще касаться этих нефизических словесных боев вокруг механики микромира? Наверняка не стоило бы, если б не скрестили в этих боях оружие сами физики. И еще: если б не пошла гулять по свету дурная молва об «открытиях физики XX века, опровергав ющих материализм».

Невероятные веши писались о квантовой механике.

«Доводы современной науки дают, может быть, возможность сделать заключение, что религия стала приемлемой для- здравого научного ума, начиная с 1927 года». Это слова известного английского астрофизика Артура Эддингтона.

Его коллега, крупнейший английский теоретик нашего времени Поль Андриенн Морис Дирак, должен был почувствовать смущение, услышав такой логический вывод из одного своего замечания. Дирака спросили: «Как движется электрон?» «Как хочет, у него свободная воля!» — примерно так ответил он. Здравый научный ум ищет объяснения для всего происходящего. И если у электрона есть «свободная воля», каковой не бывает, почему бы не предположить, что в его поведении выражена «воля всевышнего»? Вот что хотел сказать Эддингтон. И не вполне ясно только — в шутку ли он говорил или всерьез. Однако если и в шутку, то все-таки видно, как нешуточно обернулось дело.

Правда, от Эддингтона можно было ожидать, что он сказал это и всерьез. Его слава среди физиков-теоретиков была своеобразна: он любил эффектные и рискованные, но не слишком основательные теоретические выводы. Академик Ландау однажды заметил, что в физике встречается немало «патологических работ». Патология — наука о болезненном состоянии организма, и не надо объяснять, что значит термин «патологические работы». А о том, что таких работ в физике действительно немало, свидетельствует простой факт: этот термин стал у теоретиков международным. Патологические работы на первый взгляд словно бы вполне серьезны, но при ближайшем рассмотрении сразу обнаруживают свою нелепость. Академик Ландау рассказал: «Помню, как лет тридцать назад в веселой среде теоретиков, — а они, как правило, люди нервные, но не скучные, — разрабатывался шуточный проект созыва международного конгресса «физиков-патологов». Намечали делегатов из разных стран, на пост; председателя конгресса прочили одного, ныне покойного, английского астрофизика...» Из уважения к памяти большого ученого, который не всегда же был патологом, Ландау не хотел назвать имени Эддингтона. Но, поверьте, это именно его намечали молодые и веселые теоретики на не слишком почетный пост. Да вы и сами видите: одного его суждения о квантовой механике и религии было бы более чем достаточно для такого избрания.)

Дело и вправду обернулось нешуточно.

«Епископы и настоятели ухватились за эту новую теорию, точно то был хвост дьявола... И было великое ликование если не в небесных чертогах, то хотя бы в епископских дворцах». Так написал в своей духовной автобиографии соотечественник Дирака и Эддингтона широко известный писатель Сомерсет Моэм. Казалось бы, какое дело изысканному беллетристу и драматургу до квантовой механики и ее идей? И, наверное, он не обратил бы на нее никакого внимания, если б дурная молва не распространилась так всесветно. То была цепная реакция: Эддингтон логически продолжил Дирака, епископы — Эддингтона, епископов — сам римский папа, который в конце 20-х годов стал очень интересоваться естествознанием XX века.

Но, право же, непонятно, почему квантовая механика пришлась папе и богословам больше по вкусу, чем механика классическая? Сумели же философы-фаталисты так истолковать однозначную классическую причинность, что вся история вселенной оказалась на вечные времена предопределенной «начальными условиями» движения составляющих ее тел. Тут всего один шаг до идеи творца, задавшего эти начальные условия в библейский день творения! Впрочем, примерно так и думал Мопертюи. А приспособить идею бога к многозначной вероятностной причинности, честное слово, несравненно труднее. Да и неясно, зачем понадобились бы всемогущему такие нехорошие законы, как вероятностные законы случая? Представляете, как это хлопотно!

Учитель принца де Бройля, сын парижского рабочего- коммунара Поль Ланжевен называл философию беспричинности «интеллектуальным развратом». Эйнштейн называл ее более снисходительно — «литературой». (Правда, Сомерсег Моэм полагает, что в устах Эйнштейна это был лишь вежливый вариант слова «чушь»).

Теперь уже совсем по-другому должны звучать для нас слова Макса Борна о старых ворчунах, «возражающих в философии». Им было против чего возражать. Было!

Это стало настоящей бедой квантовой механики: с первого дня ее физические принципы и ложное философское истолкование их так тесно переплелись, что эти ни в чем не повинные законы природы стали постоянным предметом сомнений и нападок, как источники философского зла.

Точно можно идейное зло рассматривать, как явление физическое, а не социальное! Наш академик Владимир Александрович Фок, удостоенный в 1960 году Ленинской премии за работы по квантовой механике, сделал, быть может, больше, чем кто бы то ни было другой, для избавления науки о микромире от этой напасти. Он тоже вел долгие дискуссии с Нильсом Бором, но спорил не с физиком Бором, а с Бором-философом. Он спорил с ним в Копенгагене — в признанной столице квантовой механики, — доказывал Бору, что не все благополучно в Датском королевстве.

Было это в 1956 году. А через полтора года в Москве, на Всесоюзном совещании по философским вопросам естествознания, академик Фок рассказал:

— Совсем недавно я получил от Бора гектографированный текст его новой работы, озаглавленной «Квантовая физика и философия», из которой видно, что во многих существенных пунктах он со мной согласился.

Академик Фок перечислил эти пункты, и по аудитории прокатилась та легкая волна удивления, которую в стенограммах обозначают словами «движение в зале». Среди этих пунктов было признание полной объективности вероятностных закономерностей.

И главное: «Бор признает причинность и отвергает толь^ ко лапласовский детерминизм»!

Движение в зале было легко объяснимо: глава «копенгагенской школы» перестал настаивать по крайней мере на своей былой философской терминологии. Было ли это результатом споров с русским коллегой или итогом собственных многолетних размышлений великого копенгагенца, но так или иначе произошла существенная переоценка философских терминов и понятий. Истина и история сделали то, что должны были сделать.

Как истории и истине даются их успехи — это вопрос специальных изысканий. Сразу видно только одно: успехи эти даются нелегко. Но они неизбежны. Правда, не стоит впадать в лапласовский фатализм и утверждать, что они заранее предопределены. Нет, за них надо бороться. Это-то И- делал настойчиво академик Фок. Но в духе квантовой механики можно сказать, что измена идеализму и приход к материалистической диалектике — события наиболее вероятные в духовной жизни больших ученых. Нужно ли тут подробное обоснование такого утверждения? Я вспоминаю, что пишу только «путевые заметки», и вместо доказательств хочу сослаться лишь на столь необязательную вещь, как мимолетные впечатления. Для этого есть оправдание: в непосредственных ощущениях современника всегда присутствует правдами есть в них своя живая убедительность.

Мне вспомнились тут зеленые холмы Киева, тропический июль 59-го года, когда природа с помощью беспощадного солнца наглядно демонстрировала свою материальность,

...Под тенистой листвою не в срок желтеющих от жары каштанов, на знойном асфальте Крещатика, в многолюдье душного вестибюля гостиницы «Украина», на высоком берегу Днепра — всюду можно было встретить в те июльские дни приезжего человека немного выше среднего роста, не то седого, не то слишком русоволосого, с внешностью, которая была бы вполне заурядной, если бы не скульптурная округлость, ~ знаете, такая бетховенская округлость и мощь,— выразительной головы. Если бы! Но как раз этой-то деталью в облике приезжего невозможно было пренебречь; к его белой рубашке прикреплена была прямоугольная картоночка в целлофановом конвертике, и на картонке было начертано латинскими буквами одно слово: Гейзенберг.

В те дни всюду встречались киевлянам люди с такими визитными карточками на груди. Шла 9-я Международная конференция по физике частиц высоких энергий, и со всего мира съехались в столицу Украины теоретики и экспериментаторы. Нагрудные карточки облегчали взаимное общение.

Хотя приезд Вернера Гейзенберга ожидался (программа оповещала, что он будет председательствовать в последний день конференции), было в его появлении нечто небудничное: с ним вместе вошла в вестибюль гостиницы живая история квантовой физики. История держала в руке потрепан* ный деловой портфель. История выглядела гораздо скромнее гостиничного швейцара. В ней не было никакого парада, а только естественность: по причине жары История сняла галстук и стала ходить с расстегнутым воротом. Как и самому веку, Гейзенбергу не было тогда еще и шестидесяти лет.

Философские дискуссии не входили в повестку дня кон-* ференции. И хотя в зале сидели люди, заведомо по-разному относящиеся к вероятностному толкованию квантовой меха* ники, на эти темы не говорилось ни слова. Получалось так, что скрытые философские разногласия словно бы и не ме« шали физикам заниматься их исследовательским делом.

Хотелось спросить у них: отчего это так?

Спросить я не решился. Впрочем, один раз попробовал, ко получил довольно язвительный ответ:

— А может быть, вы мне сначала объясните, — усмехнулся профессор X., — какое влияние могут оказать философские споры на фотографирование следов элементарных частиц или на взятие какого-нибудь проклятого интеграла? Я отвечу на ваш вопрос, как только услышу объяснение...

Мне ничего не оставалось, кроме как пробормотать: «Да, конечно, я понимаю...» Вечером в зале ресторана, где ужинали участники конференции, наблюдатели и журналисты, профессор X. поманил меня пальцем.

—        Смотрите, — сказал он все с той же усмешкой, — вон сидит Гейзенберг-идеалист, а рядом Фок-материалист. Pa3L ногласия не мешают им с равным успехом поглощать плоды земли и переваривать их. Хотя подождите-ка, видите, старик Гейзенберг глотает какие-то таблетки. Может быть, природа все-таки наказала его за непоследовательную веру в ее объективное существование? Но тогда за что наказан Фок? Видите,, он плохо слышит, у него микрофончик и усилительный аппарат. Но, понимаете ли, главное, что я вам хотел сказать: они сидят и дружески разговаривают, несмотря на разногласия. Знаете, почему? Потому, что они разговаривают о деле. О де-ле!

Я, разумеется, ничего возразить не мог. Да и не собирался: я сам видел, что философские разногласия не мешают физикам заниматься делом, я ведь с того и начал, что хотел понять — почему не мешают? И мне пришло в голову сказать профессору X., что, очевидно, ему в свое время очень насолили философы, но не понятно, отчего должен расплачиваться за это литератор. Он засмеялся и предложил:

—        Давайте мировую. Хотите, я вам расскажу что-нибудь физическое?

Но мне в тот момент хотелось «чего-нибудь философского». В присутствии человека с визитной карточкой «Гейзенберг» довольно естественно было думать о смысле физических законов, а не о подробностях физического знания.

Простейший ответ на мой праздный вопрос пришел сам собою. Он возник сначала в виде безотчетного, но верного ощущения. Не помню, кто делал в ту минуту очередной доклад — профессор ли Смородинский из Москвы или профессор Альварец из Беркли, профессор ли Салам из Лондона или академик Боголюбов из Дубны, — это было совершенно неважно. Ощущение, о котором я говорю, в том и состояло, что на минуту показалось совершенно неважным, кто делает доклад! По сцене ходил и убежденно сообщал о новых фак-' тах и новых формулах физик, приехавший сюда из какого- то пункта на земном шаре. Нет, даже и это было неважно: он мог прилететь с Марса, он мог явиться в Киев с 62-й Лебедя, он мог прийти из прошлого или из будущего, — все эти различия потеряли на минуту всякое значение.

По сцене расхаживало мыслящее существо, впряженное в подвижную конструкцию легкого микрофона, как хомут накинутого на шею. Оно, это мыслящее существо, переходило от кафедры к меловой доске, волоча за собою, как брошенный повод, нескончаемый радиошнур. И зал, в тесной упряжке наушников, тянул вместе с ним тяжело перегруженный воз кропотливейшего познания микрореальности. А когда. докладчик приостанавливался и устало опирался на лекторскую указку, в воображении возникал образ безыменного странника с походным посохом в руках — вечного странника, которому еще идти и идти.

Конечно, эти слова — странник, посох, воз — не из обихода нашего благоустроенного века, но дороги исследователей благоустроенными не будут никогда, это пути в незнаемое.

О чем говорили физики, о чем они спорили? В конце концов все сводилось к обмену сведениями и догадками о том, что действительно имеет место, и о том, чего не может быть в микромире. Они спорили друг с другом, как и соглашались, на интернациональном языке экспериментов и математики. И в темноте, когда начиналась демонстрация микрофотографий, диаграмм и схем, когда не видно было лиц и только световой конус эпидиаскопа стягивал в одну точку нити всеобщего внимания, с удвоенной силой возникало ощущение, что все эти люди связаны какой-то единой присягой верности, равно обязательной для всех. Верности чему? Ответ был наготове: истине физического знания.

Этому не противоречит то, что у каждого научного открытия, большого или маленького, всегда есть своя родословная: дата и место рождения, имена и фамилии родителей. Такая родословная, конечно, отражает характер эпохи и страны, где успех был достигнут. Даже биография и темперамент ученого отражаются в этой родословной. Но только в родословной — только в истории открытия, а не в его физическом содержании. Иначе оно не имело бы никакой цены.

Конечно, для жизни человеческого общества, для будущего землян часто далеко не безразлично, особенно в наши дни, где, кем и для чего добываются физические истины. «А кто воспользуется открытием, которое я сделал?» — Фредерик Жолио-Кюри недаром спрашивал об этом еще тогда, когда не был ни коммунистом, ни руководителем движения сторонников мира. Не этот ли вопррс привел его к коммунизму? Даже история современной физики, не говоря уж об истории социальной, не забудет, что Филипп Ленард был гитлеровским негодяем, а Эдвард Теллер — энтузиастом водородной бомбы... Вот почему было сказано выше, что «географические» различия между физиками потеряли всякое значение только на минуту. Только на минуту! Правда, нам эта минута сейчас очень важна.

Физики, съехавшиеся в Киев со всех концов земли, обменивались адресами и взаимными приглашениями в гости. Но все они молча признавали, что их подопечный — мир элементарных частиц — географического адреса не имеет. Молча признавали они, что всюду и везде он управляем одними и теми же законами природы, а не человеческими установлениями. Об этом-то и поведала сразу наша произвольно допущенная минута.

Не могло быть даже тени сомнения, что это их общая нерушимая убежденность. Как могли бы наши физики из Дубны и американские физики из Беркли обмениваться научной информацией, если бы они не верили, что в лабораториях Дубны и лабораториях Беркли протоны ведут себя совершенно одинаково и представляют собою одну и ту же физическую реальность? Чем могли бы взаимно обогатиться теоретики Японии и экспериментаторы Италии, если бы в них не жила молчаливая уверенность, что микромир существует сам по себе и в своих закономерностях не зависит от волеизъявлений микадо или происков Ватикана? И, наконец, зачем бы ехал в Киев Гейзенберг, если бы он внутренне не был вполне убежден в объективной реальности природы? Как он itoor бы надеяться, что будет понят другими и сам поймет других? Зачем бы он тогда вообще занимался физикой?

Вот что одолевало меня, стороннего наблюдателя, в Киеве: сомнения в искренности и «додуманности» физического идеализма... А тут еще киевская жара! Днем и ночью она с грубой прямолинейностью доказывала всем и каждому, что природа существует абсолютно независимо от сознания людей и делает свое потогонное дело, совершенно не считаясь с их желаниями и не спрашивая их согласия. При температуре в 36 градусов ночью ни один здоровый человек не может долго оставаться субъективным идеалистом, а человек, глотающий таблетки, тем более! (Неспроста же в древней Греции не было сколько-нибудь серьезной школы субъективного идеализма. Там средняя годовая температура для этого, право же, слишком высока.)

Был день, когда Гейзенберг тоже впрягся в микрофон и тоже волочил по сцене нескончаемый шнур. Все-таки надев ради торжественности случая мучительно материальный галстук, он рассказывал о своих новых физических построениях. Потом он вел заключительное заседание. И, сидя в зале рядом с профессором X., я сказал ему шепотом:

— Знаете, почему философские разногласия не мешают физикам заниматься делом? Потому что все вы — явные или тайные материалисты. Даже тогда материалисты, когда думаете, что это не так.

И еще мне пришло на ум, что этот безотчетный профессиональный материализм исследователей природы — то, что Энгельс и Ленин называли стихийным материализмом естествоиспытателей, — рано или поздно неизбежно должен в нашем веке превращаться в материализм осознанный и последовательный. Я и это сказал профессору X. Он ответил мне шепотом:

—        Вы ломитесь в открытые двери. А что касается стари* ка Гейзенберга, то с ним это уже, кажется, случилось...

—        Когда? — спросил я от неожиданности громче, чем это было допустимо, и «старик» Гейзенберг с председательского места на сцене вопросительно посмотрел в зал.

—        Года четыре назад, — услышал я шепот X. — А может, еще раньше. Наверху в киоске есть сборник к семидесяти* летию Бора. Перелистайте — сами увидите...

И через час, стоя у окна в фойе, я читал фразу, которая за подписью Вернера Гейзенберга звучала бы некогда так же неправдоподобно, как в устах Бора признание физической за- конности понятия «детерминизм». Вот эта фраза: «...Физик должен постулировать в своей науке, что он изучает мир, который не он изготовил и который существовал бы без значительных перемен, если бы этого физика вообще не было».

«Вообще не было», — звучало в моих ушах.

Пожелай я выразить сверххудожественно свое впечатление -от этого открытия, я мог бы сказать, что трепещущая на ветру страница с фразой Гейзенберга показалась мне белым флагом над былой копенгагенской крепостью.

Вот как много воды утекло со времен знаменитого Соль- веевского конгресса 1927 года!

И если бы де Бройль в своей памятной лекции спросил: «Останется ли индетерминистическим толкование квантовой физики?» — он, как вы видите, получил бы желанный ответ: «Нет, не останется!» И что самое неожиданное, его заверили бы в этом былые вожди индетерминизма — Бор и Гейзенберг. Заверения надежней ему и искать не надо было бы.

Но де Бройль спросил не это. К сожалению, не это. Он спросил: «Останется ли беспричинной сама квантовая физика?» И выразил в своем вопросе старое механистическое убеждение, что без классической однозначной причинности детерминизма нет. Назад, к Лапласу! — вот что это значило, если отбросить тонкости и детали.

Теперь уж надо, наконец, без всяких новых отсрочек объяснить: какие же нанежды вдохновляли его?

...Дело в том, что классическая физика тоже сталкивалась со случайными событиями и статистическими закономерностями. Сама математическая теория вероятностей возникла гораздо раньше квантовой механики. Она возникла на классической почве. И не для утешения игроков на рулетке в крошечном Монте-Карло, а для нужд посущественней.

В кубике воздуха у поверхности Земли примерно 30 000 000 000 000 000 000 молекул вещества. Как справиться с таким бacнoqлoвным множеством безликих частиц при изучении свойств земной атмосферы? Следить за поведением каждой частицы? Узнавать ее положение в пространстве* энергию движения, траекторию полета? Расследовать все цепи столкновений частиц между собой? Бесплодность такой затеи очевидна. И, разумеется, никому никогда не приходило в голову предпринимать подобного рода расследования. Уже в середине прошлого века физики поняли, что можно изучать свойства громадных скоплений частиц вещества, не вдаг ваясь в подробности механического поведения каждой частицы в отдельности. Температура, давление, плотность, вязкость, электропроводность... Все это свойства коллективов частиц, и для изучения этих свойств понадобились статистические закономерности.

Столбик окрашенного спирта поднимается по кацилляру из тонкостенного шарика холодного термометра. Спирт разогревается и потому расширяется под ударами несметных полчищ молекул более теплого воздуха. В этой безмолвной битве термометра с атмосферой каждая молекула сыгрывает свою роль. Даже те, что не долетают до шарика, принимают участие в битве: они сталкиваются с другими молекулами, они вносят свою лепту в ту хаотическую мешанину движений, в которую погружается шарик термометра. Но термометру нет дела до роли каждой частицы в отдельности. Он работает как своеобразное статистическое бюро, выводящее среднее значение энергии движения атмосферных частиц.

Какова сейчас энергия вон той, помеченной нами молекулы? Она может оказаться гораздо выше средней энергий, зарегистрированной термометром, или, наоборот, гораздо ниже. Это дело случая. Вероятней всего, энергия ее будет не очень отличаться от средней. Менее вероятно, что она будет громадной или, напротив, — совсем ничтожной.

Ученые увидели эти разные вероятности. Научились оперировать ими. Они создали статистическую физику, которая объяснила множество явлений природы, долго остававшихся непонятными.

Но случай в классической физике был совсем иного рода, чем случай в физике квантовой. Он был того же толка, что случайность падения кирпича,на голову прохожего. Ученые говорили: «Энергия отдельной частицы газа может по воле случая иметь любую величину», но в то же время были совершенно уверены, что у каждой молекулы есть своя механи- четкая предыстория, и скорость молекулы в момент наблюдения только итог всех столкновений с другими молекулами, встречавшимися на ее «жизненном пути». Узнать бы эту Предысторию, и от случая ничего не осталось бы.