Даниил Данин - Вероятностный мир

• Название: Вероятностный мир
• Автор: Даниил Данин
• Издательство: Знание
• Жанр: Альтернативная история
• Год: 1981

14 декабря 1900 года впервые прозвучало слово «квант». Макс Планк, произнесший его, проявил осторожность: это только рабочая гипотеза. Однако прошло не так много времени, и Эйнштейн с завидной смелостью заявил: квант — это реальность! Но становление квантовой механики не было спокойно триумфальным. Здесь как никогда прежде драма идей тесно сплеталась с драмой людей, создававших новую физику. Об этом и рассказывается в научно–художественной книге, написанной автором таких известных произведений о науке, как «Неизбежность странного мира», «Резерфорд», «Нильс Бор». Собирая материал для своих книг, автор дважды работал в архиве Института теоретической физики в Копенгагене.

Книга научно–художественная. Для широкого круга читателей.

---

Любопытно, что сам же Фезер отметил: «Резерфорд был поставлен в тупик». Так ведь из тупика есть только два выхода: или уйти назад восвояси, или проламываться вперед. Резерфорд был из тех немногих, что предпочитают проламываться. Еще больше это походило на постепенный снос высокой стены — камень за камнем.

Альфа–частицы в большинстве своем легко пронизывали мишени. Им не удавалось бы это так просто, будь атомы сплошными шариками вещества, накатанными, как в модели Томсона, из положительно заряженного теста. Явно ближе к истине была идея сквозного атома. К слову сказать, еще в 1904 году об этой идее, возникшей тогда на других основаниях, писал Резерфорду его будущий друг австралиец Вильям Брэгг–старший.

В сквозном атоме отрицательные электроны и пока неизвестные носители положительного заряда должны быть разведены друг от друга далеко в стороны. Ну, скажем, как планеты и Солнце: легче легкого пролететь сквозь Солнечную систему, «ничего не задев» по дороге… Ничего? А связывающие все тела силовые поля тяготения? Их, разумеется, не миновать — они заполняют пустоту. И при этом — работают, определяя движение небесных тел с их огромными массами… Но в микромире массы так ничтожны, что гравитационные поля неощутимы. Там все дело в силах электрических. Примерно оценив их еще тогда, когда обнаружилось отклонение альфа–луча на 2°, Резерфорд теперь обдумывал конструкцию атома, способного отклонить альфа–частицу на 180° или — иначе — отшвырнуть ее назад. «Внутри атома должны действовать ужасающие силы…» — порою повторял он ненароком, выдавая ближним скрытую работу своей мысли.

Не могло ли отражение альфа–частицы назад быть результатом постепенного — многократного — отклонения ее на малые углы внутри мишени? Частица пронизывает множество атомов, углубляясь в мишень. Каждый чуть сбивает ее в сторону — скажем, на 2°. Один — на два градуса, другой — на два, третий, десятый, сороковой… В сумме — за 90 отклонений — может накопиться нужный эффект: все 180 градусов. Вот частица и вылетает из мишени обратно. Это ли не искомый ответ?

Однако протестовала теория вероятностей. Отклонение предполагало длиннейшую череду поворотов частицы все в одну и ту же сторону— как по заказу! Но для этого не было никаких оснований. Игроку в орел и решку может, конечно, пригрезиться, что он выиграет девяносто раз подряд. Почему бы нет? Да только вероятность такой баснословной серии выигрышей непредставимо мала: 1/2 в девяностой степени. Такую малость не с чем сравнить. Нет, по законам случая — статистически — вообще не могло получиться сколько–нибудь заметного отклонения: для любой частицы равновероятные отклонения в разные стороны просто взаимно погашались бы… Резерфорд увидел: механизм многократного рассеяния ничего не объясняет. Так что же происходило в мишени?

Выбора не было: если не многократное рассеяние, то однократное. Отражение назад представилось как итог столкновения альфа–частицы с единичным атомом. Он — сквозной! — отбрасывал ее обратно.

Легонькие электроны противостоять тяжелой частице не могли. Оставалось предположить, что есть внутри атома массивная сердцевина, способная на единоборство с альфа–снарядом. Она мала по объему, раз атом почти пуст. Но в ней–то и сосредоточена его главная масса. И весь его положительный заряд, уравновешивающий отрицательный заряд блуждающих в атоме электронов.

В сквозной планетной системе проглянуло могучее Солнце. «Ужасающие силы» могли исходить именно и только от него. Для положительно заряженной альфа–частицы то были силы электрического отталкивания.

…Родилась идея атомного ядра!

Эта идея прекрасно работала. Малость атомной сердцевины хорошо объясняла редкость прямого отражения: для поворота назад частице требовалось подлететь совсем близко к ядру — быть очень прицельной. Только тогда могла она испытать всю мощь отталкивания. Но в крошечное ядро попасть было трудно. Оттого–то это удавалось лишь одной частице примерно на 8000. И другие подмеченные в опытах Гейгера—Марсдена закономерности объяснялись легко и непринужденно.

Теперь в руках Резерфорда было достаточно строительного материала для конструирования правдоподобной модели атома. В центре — ядро, как Солнце. На периферии — электроны, как планеты. Электроны притягиваются ядром, как всегда взаимно притягиваются разноименные заряды. Но электроны на ядро не падают. потому что пребывают, как планеты, в непрерывном вращении вокруг него. И притом — с достаточной скоростью, чтобы центробежная сила по законам классической механики уравновешивала центростремительную. Словом, точная микромодель огромной Солнечной системы.

И в один прекрасный день на рубеже 1910 — 1911 годов Резерфорд по праву громогласно объявил в лаборатории:

— Теперь я знаю, как выглядит атом!

7

Все–таки на что же ушли два года? Разве не довольно было долгого зимнего вечера, чтобы обмозговать все рассказанное (и еще многое здесь опущенное)? Весьма возможно, что Резерфорд и впрямь додумался до решения за один вечер. Легко допустить, что зрелище планетарного атома выступило перед его мысленным взором сразу. И даже с полной отчетливостью. Но в полной отчетливости и была беда: он тотчас должен был увидеть, что такой атом по классическим законам не мог существовать!

И все пришлось обдумывать сначала. Однако с тем же результатом. И завтра, и через месяц — с тем же удручающим результатом… Корень зла в том и заключался, что делало планетарную модель точным подобием Солнечной системы: планетоподобное вращение электронов вокруг ядра.

При вращении — даже равномерном — скорость вращения меняется непрерывно: оставаясь неизменной по величине, она все время становится другой по направлению. И потому вступает в действие один из законов классической теории электричества: когда заряды движутся с переменной скоростью, они излучают электромагнитную энергию. Как и что при этом происходит, точно описывается математически. Но представить происходящее в зримых образах трудно (если вообще возможно).

Тут не обойтись без отступления в сторону, на которое, по правде говоря, надо было решиться еще раньше…

…Зримые образы замыкают воображение в кругу предметно–вещественных явлений. Вещественных! Однако есть еще круг явлений иных — связанных с силовыми полями в пространстве.

Массы порождают поле сил тяготения.

Заряды — поле электромагнитных сил.

Пустота имеет свое устройство — она вовсе не пуста. И с термина «поле» начинается ее описание.

Этот термин — поэтическая метафора. Она намекает на нечто однообразное бескрайнее, окружающее все тела и как бы засеянное силами взаимодействия между ними. Потому и «поле».

Мне вспоминаются студенческие споры — попытки осязаемо и зримо материализовать математические символы.

Доносится через десятилетия голос сокурсника:

— У Тютчева есть строки — прямо о еловых полях: «Как океан объемлет шар земной, земная жизнь кругом объята снами…» Поля — это сны вещества. Сны наяву — и не бесплотные: «Небесный свод, горящий славой звездной, таинственно глядит из глубины. И мы плывем, пылающею бездной со всех сторон окружены…»

И, продолжая фантазировать, он убежденно говорил, что «пылающая бездна» — это дьявольски точно. До того точно, что даже не образ, а «чистая физика», ибо поля — вместилища энергии. Им всюду можно теоретически приписать вполне определенную температуру. И тэ–дэ и тэ–пэ…

А другой голос уверял, что Фарадею и Максвеллу в их классическом XIX веке надо было заменить термин «поле» термином «море». Больше сходства и гораздо выразительней. Тем более что у электромагнитного поля и у других полей, наверное, тоже волновая природа. Хорошо бы звучало: «море электромагнитных сил»! И есть в этом море свои штили, свои штормы. Да и для физических тел тогда появились бы естественные подобия: большие тела — как киты в океане, поменьше — всевозможные рыбы, а микрочастицы — как планктон. И уж совсем для полной натуральности картины все это движется: и волны, и тела. Наконец, поле — плоское, а море — объемное. И прочее, и прочее…

А третий голос — он принадлежал одной нашей милой сокурснице — спорил с первым и со вторым, утверждая, что такие сравнения чрезмерно предметны и слишком грубо отделяют вещество от полей. Меж тем само вещество пронизано силовыми полями: это они соединяют воедино все, из чего тела состоят. Звезды, атомы, ядра в атомах… На последнем этапе дробимости вещества его крупицы перестают быть отличимы от самих полей: возможно, элементарные частицы — это просто сгусточки полевой материи. «Горбатое поле», как говорил Эйнштейн. И потому не поля — сон вещества, а скорее напротив: вещество — сон полей. Тяжелый сон (и в шутку, и буквально). И так далее — долго еще все в этом роде… Что только не скажется в необязательном разговоре азартных студентов!