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.

---

Но нельзя не заметить, что и почти все, о чем шла речь на конгрессе в Брюсселе, тоже свойством бесспорной понятности тогда не отличалось. Шла дискуссия на тему «Излучение и кванты».

Глава вторая. Еще два старта.

1

Слово «квант» родилось на свет вместе с XX веком: оно впервые раздалось в тишине научного заседания 14 декабря 1900 года. Это было традиционное заседание Немецкого физического общества в Берлине. Новое слово произнес университетский профессор Макс Планк.

Похоже, он ни в малейшей степени не сознавал, что открывает в естествознании новую эру. Родившийся в 1858 году, Планк принадлежал в свой звездный час, как н Дж. Дж. Томсон, к поколению сорокалетних. И так же, как Томсон, он тогда почувствовал, что научное открытие — бремя. И тем тяжелее это бремя, чем ощутимей в открытии принципиальная новизна. Вспомним: тремя годами раньше — в апреле 1897 года — Дж. Дж. не с ликованием, а «с большой неохотой» докладывал лондонским физикам о несомненной реальности электрона, а теперь — в декабре 1900 года — Планк докладывал берлинским физикам о вынужденном введении понятия «квант» с таким чувством, словно он совершает «акт безнадежного отчаяния».

Его тогдашнее самоощущение тем понятней, что был он образцово добропорядочным и тихо обстоятельным исследователем. Всем своим складом он противостоял расхожей романтической иллюзии, будто на вековечные ценности науки способны посягать только натуры бунтарские.

«Акт отчаяния» — в его сдержанных устах это не было театральной фразой. И не была проявлением безрассудства возникшая у него идея. Он говорил о ней скромнее скромного: «математический прием». Сохрани-· лось интереснейшее признание Планка в письме к искусному экспериментатору Роберту Вуду:

«Это была чисто формальная гипотеза, и, по правде говоря, я не ожидал от нее бог весть чего, разве лишь одного — чтобы любой ценой получился положительный результат».

А дело заключалось в том, что на протяжении шести лет он искал единую формулу для распределения энергии в спектре электромагнитного излучения нагретого тела (в идеальном варианте). То, что было найдено до него, отражало раздельными формулами крайние случаи испускания длинных и коротких волн. А общее решение проблемы никому не давалось в руки. И ему не давалось, пока… Пока он не увидел, что успех достигается, если предположить… Если предположить кое–что очень странное: свет испускается и поглощается чередою отдельных порций!

Это и явилось его идеей. Для этих–то порций излучения и нашлось слово «квант» (от латинского «квантум» — «сколько»).

Впрочем, дело было, конечно, несравненно сложней. И драматичней. Явившуюся ему идею Планк вовсе не сразу осмыслил сполна. Она, эта идея, уже служила его теоретическому построению, а он не давал ей воли. Это походило вот на что: представьте, уже сделано верное изображение действительности, но оно ведет на пленке скрытую жизнь, пока не пущен в ход проявитель. Два десятилетия спустя сам Планк в Нобелевской лекции сказал, что «первый шаг», истинно вводивший в картину природы «кванты энергии», сделал не он, а другой исследователь. Справедливости ради, надо, однако, заметить, что тот отважный исследователь, делая свой решительный шаг, честь первенства все–таки отдал Планку: он написал, что «Планк ввел в физику новый гипотетический элемент — гипотезу световых квантов».

Так или иначе, а нам сейчас нужно только в простых словах выразить суть происшедшего в физике события.

…Поле и вещество постоянно взаимодействуют. И, стало быть, обмениваются энергией. Без такого обмена нет взаимодействий. И всегда представлялось, что в этом процессе есть черта непрерывности. В каком смысле? В самом удобопонятном.

Излучая свет, тело отдает окружающему полю какую–то часть своей энергии. Но можeт отдать и чуть больше и чуть меньше. И чуть–чуть больше или меньше. И чуть–чуть–чуть больше или меньше. В общем, это «чуть» может быть сколь угодно малым. А поглощая свет, тело может принять от поля тоже любые дозы энергии. Так, от непрерывной нити можно отрезать кусок, какой нам заблагорассудится. Так, из стакана можно глотнуть столько воды, сколько сумеется. Короче: истинно–непрерывное — сплошное — делится как угодно. И такой непрерывной физической сущностью — как угодно делимой — всегда представлялась энергия. И непрерывными — дробимыми на сколь угодно малые шажки — всегда представлялись физические процессы.

Это аксиоматическое, казалось бы, не нуждавшееся в доказательствах и никем никогда не доказанное, естественное убеждение приобрело силу натурфилософского принципа: «Природа не делает скачков» («натура нон фацит сальтус»).

А Планку пришлось допустить классически недопустимое: энергия излучается и поглощается только целыми квантами! Не может быть испущен квант света и еще чуть–чуть: либо один квант, либо два, три, сто, миллион, но не миллион с осьмушкой или с четвертью. Нет осьмушек, нет долей кванта. Непрерывность исчезала из картины обмена энергией между полем и веществом.

Это пришлось допустить ради вывода правильной формулы. Правильность санкционировал эксперимент. Много лет спустя, говоря о своем историческом сообщении 14 декабря 1900 года, Макс Планк со спокойным удовлетворением вспоминал:

— На следующий день утром меня разыскал коллега Рубенс и рассказал, что после заседания, глубокой ночью, он сравнил мою формулу с данными своих измерений и всюду нашел радующее согласие.

Можно ли представить лучший повод для торжества теоретика!

Но для классика Планка это заслуженное торжество было втайне отравлено антиклассичностью его хорошо работавшей идеи. Ему вовсе не хотелось посягать на принцип непрерывности в картине физических событий…

2

С молодости Планк был верен этому принципу: двумя десятилетиями раньше — в 1879 году — на страницах своей докторской диссертации он уверял, что атомистические взгляды на строение материи приводят к противоречиям. Он полагал, что дробимость вещества не может иметь предела. А теперь принужден был сам допустить, что даже у дробимости энергии есть границы!

Получалось, что кванты — безусловно неделимые сгусточки излучения. Наименьшие из возможных сгусточки света. Настоящие — в первоначальном смысле этого слова — «атомы» электромагнитного поля. И нельзя было сказать себе в оправдание или в утешение: «как бы атомы». Нет, хотя никто еще в 1900 году ничего не знал об устройстве атомов вещества, все же ясно было, что как–то они устроены и, стало быть, делимы. А кванты открылись теоретическому прозрению как нечто, заведомо не поддающееся дальнейшему измельчению. Иначе незачем было бы вводить их в теорию.

У Планка был один выход: отрицать физичность собственной идеи, а признавать лишь ее подсобную — математическую — ценность. Иными словами, введя кванты по необходимости в формулу, в картину природы их не вводить! «Рабочая гипотеза» — не больше. «Строительные леса» — вот и все. Так он и поступил.

(Тут для развлечения можно вообразить, как бенедиктинский монах Бертольд Шварц, изобретя порох и уже устроив громкий взрыв, сказал бы окружающим: «Нет–нет, я пошутил!..»)

Даже через десять лет после своего великого «акта отчаяния» уже стареющий Макс Планк призывал молодого Иоффе очень осторожно обращаться с идеей квантов: «не идти дальше, чем это крайне необходимо» и «не посягать на самый свет». Последнее означало: не думать, будто свет действительно представляет собою поток квантов.

Эта позиция Планка оставалась неизменной до конца его дней, а он умер уже после второй мировой войны почти девяностолетним стариком, зная, как физическая реальность квантов излучения была чудовищно продемонстрирована потрясенному человечеству атомными взрывами над Хиросимой и Нагасаки. Через полтора десятилетия после его смерти Нильс Бор, накануне собственной кончины, говорил историкам в своем заключительном интервью:

— …В известном смысле можно сказать, что Планк использовал последние сорок лет жизни, если не пятьдесят, на попытки устранить свое открытие из мира.

Почувствовав, что это утверждение звучит, пожалуй, слишком сильно, Бор добавил, что Планк все же испытывал удовлетворение от своего открытия. А как же тогда «попытки устранить»? «Все шло к этому…» — смягчил свое осуждение Бор.

…К счастью для познания природы, жизнь замечательных идей не подвластна воле или безволию их провозвестников. Планк в 10–х годах оттого и предостерегал молодого Иоффе от покушения на природу света, что несколькими годами раньше такое покушение уже предпринял другой молодой исследователь. И притом с несомненным успехом.

То был Эйнштейн. Его–то «первый шаг» и вспомнил Планк в Нобелевской лекции.

Двадцатишестилетнему эксперту 3–го класса из швейцарского бюро патентов почему–то крайне необходимо было то, чего чурался Планк: «идти дальше». В одном и том же 17–м томе немецких «Анналов физики» он опубликовал на протяжении 1905 года три работы, навсегда вошедшие в историю естествознания. Одна открывала путь к окончательному доказательству атомистической структуры вещества. Другая содержала последовательно осмысленные основы теории относительности. Третья вводила в физику квантовую теорию света.