Вероятностный мир - Даниил Данин

Однажды — в середине 50–х годов — обсуждался даже интересный вопрос: а не было ли чистой случайностью, что корпускулярная природа электрона обнаружилась раньше волновой? И уж заодно: как повернулся бы весь ход развития физики микромира, если бы электрон как волна был открыт прежде, чем как частица? Тут простор для праздных гаданий. Но в такую дискуссию можно было бы внести шутливый вклад: для изменения очередности этих открытий в семье Томсонов отец и сын вынуждены были бы поменяться ролями, что противно законам природы.

8

Успех экспериментаторов в 1927 году заставил даже упорствующих скептиков оценить правоту де Бройля. И с необычной для Шведской академии быстротой ему уже в 1929 году была присуждена Нобелевская премия. (А Дэвиссону и Томсону пришлось почему–то ждать десять лет.)

На церемонии вручения награды французскому теоретику его представлял собравшимся шведский физик Карл Усен, к слову сказать, давний друг Нильса Бора и еще более давний сторонник квантовых идей. Прежде чем попросить Луи Виктора де Бройля «принять награду из рук нашего короля», Усен сказал:

— Одна поэма, хорошо известная каждому шведу, начинается словами: «Моя жизнь — волна». Поэт мог бы выразить свою мысль и по–другому: «Я — волна!» Предпочти он именно это выражение, в его словах содержалось бы предчувствие глубочайшего понимания природы материи, ставшего доступным человеку ныне…

В зале могли подумать, что профессор Усен сказал больше, чем позволяла суть дела: разве из волнообразности электрона следовала волнообразность всего сущего в вещественном мире?

Следовала! Суть дела в том и состояла, что по простой и красивой формуле де Бройля волнообразность являла собою неизбежное свойство всякой движущейся массы — совершенно независимо от того, чья это масса, электрона или целого атома, дробинки или земного шара… Так в легенде о рождении закона тяготения перед взором Ньютона могло падать на Землю вместо яблока все, что угодно: не имело значения, какою «вещью» была тяготеющая масса. И на самом деле Ньютон изучал не падение яблока, а подобное падению движение Луны… Карл Усен не преувеличил права мечтательного поэта — тот мог сказать о себе, не противореча физике: «Я — волна!» Тогда метафора принадлежала бы науке, а не поэзии.

Резонно возразить: да ведь это означает, что уже классическая механика с первых своих шагов и всегда имела дело не просто с физическими телами, но с кентаврами — «телами–волнами»? Разумеется, да!

Так, стало быть, была она непростительно слепа?

«Слепа» — это верно, а вот «непростительно» — совсем неверно. Она, старая механика, не замечала волнообразности вещества по той же причине, по какой веками не замечала возрастания массы тел с увеличением их скорости: по причине неуследимой малости этого эффекта. Формула де Бройля вместе с небывало новым знанием содержала безусловное оправдание всех экспериментаторов прежних времен.

Могли ли астрономы почуять дебройлевское «дрожание» земного шара? Для ответа — чуть–чуть арифметики…

Помните, длина дебройлевской волны получается при делении постоянной Планка h на массу и скорость тела. Чем больше масса, тем короче волна. Пусть скорости Земли и электрона будут одинаковы. Тогда для земного шара длина волны будет во столько же раз короче электронной волны, во сколько Земля массивней электрона. А цифры такие:

Земля — примерно — 6 · 10+27 граммов,

Электрон — примерно — 10–27 грамма.

Значит, Земля массивней в 6 · 10 54 раз.

Ну а электронные волны, измеряемые ангстремами, имеют длину, сравнимую с атомными размерами. Стало быть, надо размеры атома разделить на число с 54 нулями, дабы получилась длина дебройлевской «земной волны». Непредставимо физическое событие, в котором такая ничтожная малость могла бы подать о себе весть!

Столь же призрачной была волнообразность и того шведского поэта, что имел теоретическое право на метафору: «Я — волна!» Вообразим его могучим здоровяком весом около центнера — 10 5 граммов. Тогда был бы он массивней электрона в 1032 раз. А его дебройлевская волна такое же количество раз умещалась бы в поперечнике атома. Единица с тридцатью двумя нулями! Снова: вообразим ли эксперимент, в котором можно было бы засечь протяженность, равную эдакой доле атомных размеров?! И потому предложенная Карлом Усеном метафора все–таки принадлежала поэзии, а не физике.

…Все началось с планетарной модели — со сравнения атома с Солнечной системой. А теперь можно позволить себе обратное сравнение — попробовать в Солнечной системе узреть черты квантовой атомной модели.

Если так, то планеты вращаются по разрешенным орбитам. А разрешены лишь те, в которых укладывается обязательно целое число «планетных волн» де Бройля. Для нашей Земли это означает, что две ближайшие дозволенные природой орбиты разнятся между собой на одну «земную волну». Кольцевой просвет меж ними и того меньше. В этот просвет не втиснуться ни атому, ни электрону, ни мультимиллионно–миллиардно–триллионной дольке электрона. Такой просвет не более реален, чем полное отсутствие просвета. Словом, эллипсы разрешенных земных орбит просто вплотную прилегают друг к другу, практически заполняя все пространство. Никакой прерывистости в череде дозволенных планетных путей нет. И уровни энергии взаимного притяжения Солнца и планет никакой лестницы не образуют. И думать о квантовых скачках с уровня на уровень совершенно бессмысленно (даже если бы планеты умели скакать, испуская кванты).

Что же получается? «Квантование» Солнечной системы по образу и подобию атома ничего не дает — ничего нового по сравнению с тем, что уже выведала классическая механика. Оттого она и не подозревала о тех новостях, какие принесли с собою «волны материи».

А в микромире, где так неощутимы массы физических телец, очень и очень ощутима их волнообразность. Не случайно, что она раскрылась на электроне: он — легчайшая крупица вещества в атомном обиходе.

Но и тяжелые частицы, созидающие ядра, — протоны и нейтроны, — тоже отчетливо выраженные микрокентавры. Их волновое поведение столь же броско дает знать о себе, как и корпускулярное. Они ведь всего в 2000 раз массивней электрона. Конечно, от этого их дебройлевские волны во столько же раз короче электронных: тысячные доли ангстрема, то есть что–то вроде 10–11 см. Но хотя это и малая величина, она примерно в сто раз больше радиуса электрона–частицы— 10–13см. И потому весьма солидна в масштабах микромира. Легко почувствовать важность «протонных волн» и «нейтронных волн» для верного описания событий в глубинах материи.

Разумеется, волнообразность ядерных частиц тоже была доказана прямыми экспериментами. И они, как электроны, прошли экзамен на дифракцию и интерференцию. Физик Демпстер, кажется, первым получил снимки кристаллов в протонных лучах. И подобно фотографии, рентгенографии, электронографии, возможна протонография. А нейтронография ныне — целая наука.

Все карликовое население микромира принадлежит к неисчислимым племенам микрокентавров. Кто–то из английских или американских физиков придумал даже занятный термин для микротелец — «уэйвиклс»: он соединил слова «уэйв» (волна) и «партиклс» (частицы). Очень выразительный термин. А по–русски его могли бы заменить даже два равнозначных словообразования в духе поэзии Велемира Хлебникова: «волницы» и «частолны».

Не надо объяснять, что все эти волницы или частолны, — заряженные и нейтральные, устойчивые и распадающиеся, прописанные в силовых полях и прописанные в веществе, открытые в атомных недрах и космических лучах, найденные на кончике пера теоретиками и создаваемые на гигантских ускорителях экспериментаторами, — все они, получившие в разное время и в классификациях по разным признакам звучные клички нуклонов, мезонов, гиперонов, лептонов, барионов, адронов, резонансов, фермионов, бозонов, фотонов, гравитонов, кварков, глюонов, — все они, заслужившие звание просто элементарных частиц и античастиц, странных и очарованных, — все они потребовали и поныне требуют для описания их поведения и свойств таких идей и образов, в каких никогда не нуждались долгие века познания природы…

И раньше всего остального надо было физикам создать механику волн–частиц — механику, отображающую эту врожденную двойственность всех «первооснов материи».

Вот что летом 1925 года осознал Нильс Бор, когда на пророчил близящуюся «решительную ломку понятий, на которых до сих пор было основано описание природы».

Но по удивительному стечению обстоятельств он не знал, что тем летом такая предсказанная ломка шла уже полным ходом.

Глава пятая. Идеи и страсти.

1

Теперь, когда приближается кульминация эпохи бури и натиска, слова «удивительно», «странно», «причудливо», кажется, и вовсе не перестанут сходить у нас с языка. А ведь есть в них очевидная нескромность. Мы присваиваем себе право соотносить повадки природы с человеческим мерилом обычного и необычного, будто человек и вправду есть мера всех вещей.