Ирина Радунская - Кванты и музы

• Название: Кванты и музы
• Автор: Ирина Радунская
• Жанр: Физика

О встречах с людьми, которые участвовали или участвуют в творении новых центров кристаллизации открытий.

О встречах с идеями, сдвинувшими или готовыми сдвинуть с места застывшую глыбу неразрешённых проблем, развязавшими первый узелок в спутанном клубке противоречий.

О встречах со сбывшимися, нашумевшими открытиями и со скромными результатами, накапливающимися день за днём и вызывающими предчувствие грядущих перемен или надежду на взрыв прозрений.

Лишь о некоторых открытиях я попытаюсь рассказать в этой книге.

---

Об этом догадался опять-таки Эйнштейн. В его работе, опубликованной в 1917 году, был один нюанс, роль которого выяснилась много позже. Эйнштейн заподозрил возможность управлять излучением атомов. Он указал на то, что атом может излучать не только под влиянием непознанных ещё внутренних причин, но и в результате воздействия внешнего электромагнитного поля. Это был намёк на сенсационные возможности для техники будущего.

Важность этого замечания и его глубокий смысл долго ускользали от большинства учёных. Лишь незадолго до Великой Отечественной войны молодой преподаватель Московского энергетического института Фабрикант увидел в теории Эйнштейна возможность создать усилители света, работающие за счёт внутренней энергии атомов и молекул. Много позже, в 1954 году учёные следующего поколения Басов и Прохоров в Москве и независимо от них Таунс в Нью-Йорке, не зная о предложении Фабриканта, создали молекулярный генератор радиоволн, основанный, по суще ству, на той же работе Эйнштейна. Конечно, для создания этого прибора им пришлось учесть сложные закономерности из области радиофизики и молекулярной физики. Они вступили в интереснейшую область познания, давшую человечеству мазеры и лазеры, которые в свою очередь открыли широкие пути познания природы и развития технологии. Но об этом речь впереди.

Пока же мы должны понять, как постигали учёные давнюю дилемму «волна — частица».

Итак, Эйнштейн, уверовав в квантовую сущность природы, ещё дальше отошёл от волновой теории света. Остальные же учёные старшего поколения продолжали бить тревогу, указывать на то, что теория фотонов не способна объяснить те оптические явления, которые непринуждённо вытекают из волновых представлений. Эти учёные соглашались с фотонами лишь при одном условии: если фотоны представляют собой не физическую реальность, а только приём, облегчающий расчёты.

Впрочем, уже никто не считал эйнштейновские фотоны возвратом к прежним неделимым. Ведь фотоны появлялись в актах испускания и исчезали в актах поглощения, в то время как прежние частицы, например корпускулы Ньютона, считались вечными и неизменными.

Вскоре молодой американец Комптон, «крёстный отец» фотона, доказал, что фотоны могут не только рождаться и исчезать, но и видоизменяться. Он наблюдал воочию, как при столкновении с электроном фотон изменяет и свою энергию, и направление полёта. Конечно, можно сказать и так: при столкновении с электроном один фотон исчезает, а совсем другой рождается. Здесь различаются лишь слова. Суть состоит в том, что Комптон обнаружил доказательства реального существования индивидуальных фотонов.

Все попытки объяснить наблюдения Комптона при помощи волновой теории оканчивались неудачей.

Так, оптические явления всё более чётко располагались как бы в две группы. В одну входят те явления, которые непринуждённо объясняются на основании волновой теории и остаются необъяснимыми при помощи фотонов, во вторую — те, что не поддаются волновому описанию и с лёгкостью вытекают из представления о фотонах.

Известный исследователь рентгеновских лучей, лауреат Нобелевской премии Брэгг описал ситуацию так: каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пятницам (занимаясь фотоэффектом и эффектом Комптона) считать свет частицами, а по вторникам и четвергам (изучая дифракцию и интерференцию) считать его волнами.

Вскоре это анекдотичное, а в сущности, неблагополучное положение распространилось в атомную физику.

Физиков беспокоило не только то, что модель атома Бора не позволяет объяснить спектры подавляющего большинства атомов — не даёт возможности понять, почему и когда атом излучает те или иные кванты энергии. Само существование стационарных орбит электронов в атоме оставалось необъяснённым. Почему электроны могут вращаться вокруг ядра на определённых расстояниях от него? Почему им нельзя вращаться на других расстояниях? Особенно многозначительным казалось то, что расстояния орбит от центра ядра кратны определённым числам, то есть тут явно не было случайности — тут сказывался жёсткий закон. Но какой?!

Первый подход к этой загадке нашёл совсем молодой французский физик Луи де Бройль. Он представил себе, что электроны в атоме — словно ноты на нотных строчках.

Расстояния между строчками указывают, что изменения частот звучания при переходе со строчки на строчку описываются определёнными дробными числами. Так же, как дробные числа, относятся между собой и радиусы орбит в атоме, на которых вращаются электроны.

И де Бройль представил себе, что электрон, словно некое умозрительное подобие звучащей ноты, тоже связан со своей волной. Что ему «уютно» только на такой орбите строчке, где укладывается целое число его волн. И если ему суждено перескочить на другую орбиту, то он «выберет» такую, где тоже уложится целое число волн. Так у каждого вещества образуется свой набор «нотных строчек», орбит. Это словно паспорт, по которому можно определить, какие кванты способны рождать электроны, перескакивающие с орбиты на орбиту в атоме данного элемента или вещества.

Так де Бройль связал между собой модель атома, придуманную Бором, механизм поведения в нём электронов с тем, что наблюдали исследователи при изучении фотоэффекта — связь цвета облучающего металл света с энергией выбиваемых из металла электронов. Всё это французский физик уяснил, размышляя о причинах, которые могли привести к появлению простых целочисленных значений при расчётах орбит электронов в атоме водорода.

Так он понял и секрет связи между частотой и энергией фотона — она уже не выглядела случайной. Физики убедились, что если на примере фотонов эти соотношения выявляют глубокую скрытую связь между корпускулярными и волновыми свойствами света, то на примере с электроном подобная связь существует между корпускулярными и волновыми свойствами материи.

Простая мысль привела к грандиозным следствиям… Теперь не только частица света (фотон) была связана со световой волной, но и электрон (частица материи) также оказался «в паре» с особой волной. Это приобретало уже философский смысл. Выявляло связь между веществом и энергией. И открывало новую страницу в понимании фундаментальных принципов природы.

Расчёт, проведённый де Бройлем, дал точное совпадение с боровскими орбитами. Более того: де Бройль показал в общих чертах, что его подход может позволить совместить теорию фотонов с явлениями дифракции и интерференции. То есть его предположение удовлетворяло и тех, кто считал свет частицами, и тех, кто определял его как волну. Между этими теориями оказался посредник — электрон, который раньше числился только частицей, а теперь, с лёгкой руки де Бройля, обзавёлся волновыми свойствами. Путь для слияния корпускулярной и волновой теорий света был найден.

Результаты де Бройля ошеломили учёных. Эйнштейн, всегда со вниманием относившийся к работам молодых, писал известному теоретику Борну о диссертации де Бройля:

«Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно».

ЧТО СКАЗАЛ БЫ НЬЮТОН!

Вскоре сверстник де Бройля, недавно скончавшийся Гейзенберг, разработал метод расчёта, позволивший ему, исходя из абстрактных математических принципов и не прибегая к гипотезе «частицы — волны», прийти ко всем результатам, полученным де Бройлем.

При этом он руководствовался оригинальным подходом к построению физических теорий. Он считал, что теория должна вытекать из опыта, описывать и предсказывать его результаты, но промежуточные этапы математических выкладок могут не иметь ничего общего с опытом. Что сказал бы на это Ньютон, все великие достижения которого опирались на опыт и только на опыт!

Самое трудное в этом методе — определить, на какой стадии вычислений получается то, что описывает реальность. Здесь на помощь приходит лишь интуиция и в то время ещё не ясный принцип соответствия, предложенный Бором. Суть этого принципа состояла в том, что законы классической физики должны вытекать из законов квантовой физики в тех случаях, когда квантовыми скачками можно пренебречь, когда явление из микрорамок переходит в макрообласть.

Эйнштейн протестовал против такого «рецептурного» пути в науке, когда для нахождения результата недостаточно учёта наглядных закономерностей и методов, а нужны ещё какие-то необъяснимые критерии. Он считал, что «всякая физическая теория должна быть такой, чтобы ее, помимо всяких расчётов, можно было проиллюстрировать с помощью простейших образов, чтобы даже ребёнок мог её понять».

Прошёл всего год, и важное, новое слово сказал третий молодой гений — Шредингер. Он показал, что между подходами де Бройля и Гейзенберга существует глубокая связь. Он написал знаменитое уравнение, носящее теперь его имя. С помощью этого уравнения можно было рассчитывать волновые процессы де Бройля, не прибегая к рецептурной математике Гейзенберга.