Физика – моя профессия - Александр Китайгородский

Положение дел, наблюдаемое на опыте, категорически исключает возможность представить электроны, как частицы, имеющие траекторию. Как же тогда быть? Оказывается, явление легко объясняется, если допустить мысль, что электроны – волны. Тогда гребень одной волны, приходя на впадину другой, может привести к нулевому результату, хотя при действии порознь обе волны вызывают определенный эффект.

Приходится согласиться с тем, что представление об электроне, как о частице с траекторией (и то же самое относится к другим элементарным частицам), противоречит опыту.

На вопрос – в какой мере и в каких опытах электрон проявляет то свои волновые свойства, то сходство с горошинкой – исчерпывающе отвечает уравнение Шредингера.

Огромное количество экспериментальных фактов большой сложности объясняет это уравнение. С его помощью предсказываются сложнейшие события в жизни элементарных частиц. Ни один из физиков не сомневается в справедливости этого закона природы.

Закон квантовой механики возводит волновокорпускулярный дуализм частицы в ранг аксиомы. Правда, следует помнить, что мы говорили о временном характере научного потолка. Вполне возможно, что сегодняшние аксиомы окажутся следствиями еще не найденных более общих законов природы.

Один остроумный довод в пользу того, что закон волновой механики является временным потолком, если не ошибаюсь, принадлежит виднейшему физику современности англичанину Полю Дираку.

Три фундаментальные константы входят в основные законы, управляющие поведением элементарных частиц, – это скорость света, заряд электрона и постоянная Планка, о которой недавно была речь. Если помножить постоянную Планка на скорость света и разделить на квадрат заряда электрона, то получится безразмерное число 137. (Безразмерное – значит не зависящее от выбора единиц измерения.) Почему это отношение равно именно 137, а не какому-либо другому числу? Будущая теория должна дать ответ на этот вопрос. Но если она это сделает, то вместо трех фундаментальных констант их окажется две. Теория, которую мы ждем с нетерпением, должна автоматически вывести значение одной из них через две Другие.

Представляется наиболее логичным, что этой третьей, производной константой явится постоянная Планка (я опускаю аргументацию, которая в общем является довольно произвольной). Но постоянная Планка, определяя ту предельную точность, с которой могут быть одновременно установлены координата и скорость частицы, лежит в основе принципа неопределенностей. Вывод из этого рассуждения таков: будущая теория обойдется без принципа Гейзенберга, а значит, изменит наше понимание волновокорпускулярного дуализма.

Четверть века назад представлялось, что этот шаг в прогрессе физической теории не заставит себя ждать. Развитие науки не оправдало этих ожиданий. Новая интерпретация движения элементарных частиц все еще ждет своего автора.

Но будет или не будет волновокорпускулярный дуализм объяснен, то есть окажется ли он или не окажется следствием более общих законов природы, все равно зрительное представление движения элементарных частиц невозможно.

Это обстоятельство казалось совершенно невыносимым зрелым физикам, воспитанным на идеях XIX века. Чтобы представить их, так сказать, моральное состояние, любопытно перелистать некоторые страницы дополнительного тома «Курса физики» Ореста Даниловича Хвольсона. Этот том Хвольсоном написан незадолго до своей смерти и вышел в свет в начале тридцатых годов. Пять толстых томов «Курса физики» Хвольсона просматриваются сейчас только теми, кто интересуется старой физикой. Изданные в начале двадцатых годов, они давали исчерпывающее представление о теоретической и экспериментальной физике, созданной XIX веком. Материал излагается строгим научным языком. Физические явления толкуются с единых позиций: механическое движение частиц и непрерывность среды объясняют все физические явления. Конечно, были и неясности, но они представлялись несущественными, временными; в общем это были мелочи.

Замечательный педагог и популяризатор физики Хвольсон не мог остаться равнодушным к рождению новых физических идей. Он понимал, что здание физики должно быть перестроено. Писать весь «Курс физики» заново ему не под силу, и он пишет книгу, посвященную бурным событиям последнего десятилетия. Но как отлична эта книга от предыдущих томов, куда делся спокойный, торжественный тон и убежденная уверенность в незыблемости основных принципов физической науки! Приведу несколько цитат, чтобы дать представление о том глубоком потрясении, которое испытали современники открытия механики малых частиц.

Хвольсон пишет, что при изложении микромеханики он сталкивается с колоссальными трудностями, «…причем термин «трудность» мы откровенно могли бы заменить словом “невозможность”. Наибольшее затруднение лежит «в отвлеченности основных понятий и величин, которыми орудует новая наука». И далее: «Беспощадно уничтожаются считавшиеся до сих пор неопровержимыми основы не только науки, но отчасти и научного мышления вообще вплоть до основного закона причинности, без которого, казалось бы, никакое научное построение немыслимо. Отрицается право строить объяснение наблюдаемых нами явлений на определенных, ясно сформулированных гипотезах о закулисных, непосредственному наблюдению недоступных первоисточниках этих явлений. Возводится в догмат новая мысль, что наука должна иметь дело исключительно только с такими величинами, которые могут быть наблюдаемы и измерены».

Все это положение кажется Хвольсону временным: «…придет время – туман рассеется, и истина обнаружится во всей ее глубине и красоте».

Несмотря на то, что справедливость законов волновой механики была сразу же признана и область ее применений начала расширяться с поразительной быстротой, отказ от возможностей зрительного представления движения электронов и других частиц продолжал волновать физиков.

Но подрастало новое поколение физиков, которым не пришлось переучиваться. Оказалось, что аксиомы, касающиеся движения микрочастиц, они воспринимают без всякого внутреннего сопротивления. Напротив, молодежь недоумевала: что странного находят «старики» в том, что явление, протекающее на уровне невообразимо крошечных частиц, протекает совсем не так, как события, наблюдаемые нами непосредственно в мире больших вещей?

Постепенно укреплялось мнение, что основная роль физической теории заключается в том, чтобы связывать между собой явления. Мало кто задумывался над возможностью подыскания моделей для описания «вещей в себе», то есть таких событий, которые в принципе не обнаруживаются на опыте. Обострилось критическое отношение к бессодержательным утверждениям, не допускающим экспериментальной проверки. Создавалась уверенность, что путь к истине лежит через установление исчерпывающей взаимосвязи между явлениями.

Разумеется, это не значит, что модельное мышление было скинуто со счетов. Напротив, вошел в обиход ряд наглядных способов изображения явлений. Но новые модели преследовали лишь одну цель – облегчить мышление по аналогии. Скажем, типичным является теперь использование различных объемных конструкций, которые отражают поведение частицы не в нашем обычном пространстве, а в условном, осями которого служат скорости движения частиц. Это уже совсем другое дело.

Но между старой и новой механикой нет непреодолимой пропасти. Одна из них плавно переходит в другую. По мере утяжеления частицы ее зрительный образ начинает просвечиваться все яснее через лес математических формул. Ведь согласно принципу Гейзенберга неопределенности тем меньше, чем больше масса частицы.

Отказ от моделирования движения электрона не означает невозможности модельного представления формы и размеров, а также движения атомов и молекул. Поведение молекул мы имеем право описывать совершенно так же, как поведение видимых тел.

Впрочем, исключительные успехи электронной микроскопии позволили разглядеть крупные молекулы.

Сегодняшний день

Глава 9

…где автор рассказывает о том, каким ему представляется строй мыслей своих коллег. Попутно читатель узнает, как автор относится к телепатии.

Обсуждая способности некоего Иванова к научной работе, кто-нибудь скажет с одобрением: «Настоящий ученый, ясное физическое мышление», или с порицанием: «Да у него в голове “кабак”, не способен физически мыслить».

Отсутствие физического мышления рассматривается как дефект, когда речь идет о естествоиспытателе. В других же случаях отсутствие физического мышления сыграло бы не бо́льшую роль, чем отсутствие музыкального слуха в спортивных успехах, скажем, Валерия Брумеля или Лидии Скобликовой. Поэтому можно услышать и такие характеристики: «Да у него великолепные способности, богатейшая интуиция, это талантливый технолог. Физически мыслить не умеет и не любит, но чудная память и неповторимая природная интуиция позволяют ему делать совершенно замечательные находки».