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.

---

Порванные нити старых и новых теорий сближались…

Но для полной стыковки прежней, классической физики и новой время ещё не наступило.

Де Бройль продолжал упорствовать в своём мнении, склоняясь к концепции частиц, считая их волновые свойства в существенной мере формальными, а их появление в теории оправданным только для предсказания статистических свойств, наблюдаемых в опытах, где участвует много частиц.

Шредингер придерживался радикальной точки зрения, заключающейся в том, что частицы сохраняются в науке лишь в силу привычки, в то время как реальными являются волны света и волны на воде, связанные с частицами.

Де Бройль пытался построить компромиссную теорию, в которой частицы выступают как некоторые особенности, «узлы» в волне, но не смог справиться с математическими трудностями на пути описания этой идеи уравнениями. Без уравнений теория мертва. Она не может быть проверена опытом, и де Бройль отложил её до лучших времён.

Однако было в этой точке зрения нечто столь серьёзное, что вызывало симпатию даже Эйнштейна, скептически настроенного по отношению ко многим формальным идеям квантовой физики. Размышляя о механизме вкрапления материи в электромагнитное поле, Эйнштейн писал: «Вещество — там, где концентрация энергии велика, поле — там, где концентрация энергии мала. То, что действует на наши органы чувств в виде вещества, есть на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путём можно было бы создать основы новой философии».

Но в этой новой философии Эйнштейн видел всё-таки прежний фундамент: наглядное представление о предметах спора. Молодые творцы квантовой физики его не поддер живали. Гейзенберг, например, ни о каком компромиссе с прежними физическими воззрениями не помышлял. Он утверждал принципиальную невозможность объективного познания всех свойств частиц одновременно.

Он говорил, что, производя над квантовой системой измерения, чтобы описать исходные данные опыта, мы обязательно вносим в систему возмущения. Такие возмущения не могут быть учтены или вычислены. Поэтому состояние и последующие изменения системы оказываются в существенной мере неопределёнными. В результате, теория не может точно предвычислить результаты опыта. Предсказания теории могут иметь только статистический — вероятностный — характер.

Гейзенберг сформулировал свою идею в виде принципа неопределённости. В простейшем виде его суть состоит в том, что принципиально невозможно совершенно точно определить все характеристики квантовой частицы одновременно. Например, нельзя одновременно точно определить положение и скорость электрона, а значит, невозможно определить точную траекторию его движения.

Споры молодых рассудил Бор. Он предложил оригинальное решение дилеммы «волна или частица». Это решение подсказала Бору идея Гейзенберга, Бор заметил, что при учёте принципа неопределённости волновые и корпускулярные свойства не могут войти в противоречие. Чем точнее определяются волновые свойства частицы, тем неопределённее становятся её корпускулярные характеристики, и наоборот. Бор назвал оба аспекта дополнительными и, придав этому философский смысл, пытался успокоить сомнения физиков. Но принципом дополнительности Бор только разжёг огонь под костром тлеющих сомнений.

Смутные идеи дополнительности таили в себе глубокие трудности при описании причинной связи явлений микромира. Учёные старой школы — Лоренц, Планк, Эйнштейн и их последователи относились с большим сомнением к подобным идеям. Однако все попытки создать квантовую те орию, включающую классические представления о связи причин и следствий, начала и конца явлений микромира, так до сих пор не увенчались успехом.

По-прежнему оставался загадкой «вечный» вопрос о том, обладают ли волновыми свойствами отдельные частицы или же волновые свойства не присущи каждой индивидуальной частице, а возникают лишь как характеристика поведения совокупности частиц.

Пытаясь выяснить это, Фабрикант с сотрудниками провёл опыт с дифракцией электронов в таких условиях, когда электроны пролетали через их прибор поодиночке.

Результаты такого опыта должны были чётко ответить на вопрос о том, обладает ли каждый индивидуальный электрон волновыми свойствами или нет.

Не вдаваясь во все подробности и допуская некоторую схематизацию, опыт можно описать так: электроны достаточно редко вылетают из источника к экрану. По пути они должны пройти сквозь перегородку с двумя малыми, близко расположенными отверстиями. «Редко» — значит через такие промежутки времени, чтобы каждый электрон заведомо достиг экрана, прежде чем вылетит следующий. «Малые, близко расположенные» надо понимать так же, как при опытах с дифракцией рентгеновских лучей или дифракцией света — настолько малые и настолько близкие, чтобы дифракционные картины, образуемые каждым отдельным отверстием, перекрывались.

Если одно из отверстий было закрыто, опыт показывал, что точки попадания отдельных электронов в экран со временем дают картину, соответствующую дифракции волн де Бройля. Точка попадания каждого электрона определяется законами вероятности, а вероятность может быть предвычислена при помощи волновой теории.

Если же открыты оба отверстия, электроны по-прежнему попадают на экран по закону случая, но вероятность при этом соответствует дифракции волн де Бройля на двух отверстиях. Можно сказать, что электрон, пролетая через одно из отверстий, «чувствует», открыто другое или нет. В зависимости от этого изменяется вероятность его попадания в ту или иную точку экрана. Столь осознанное поведение электронов казалось просто мистикой.

Учёные увеличивали интенсивность пучка электронов так, чтобы сквозь прибор пролетало одновременно много электронов. Но это не изменяло результатов опыта. Разница состояла лишь в том, что та же картина получалась на экране соответственно более быстро.

Так опыт подтвердил, что движение каждого индивидуального электрона подчиняется вероятностным законам квантовой теории.

Положение с тех пор не изменилось. Вопрос «волна или частица» не получил радикального ответа. Учёные сошлись на компромиссном ответе: волна и частица. В одних условиях превалируют волновые свойства, в других — корпускулярные. Приходится привыкать к тому, что природа элементарных частиц сложнее, чем это думали, и всё ещё остается недостаточно изученной. Мы не знаем, почему существуют именно те элементарные частицы, которые нам известны; не можем предсказать, какие из них ещё ждут своего открытия. Не знаем, почему они обладают определёнными значениями массы, заряда и спина. Не знаем, сколько новых свойств проявится у этих частиц в добавок к тем, которые уже известны и получили удивительные названия — изотопический спин, странность, шарм (очарование)…(Действительно, выявляются всё новые и новые свойства элементарных частиц, а сами они предстают перед нами всё менее и менее элементарными. Считавшиеся неделимыми протоны и нейтроны оказались построенными из ещё более элементарных частиц — кварков, сцепленных между собой глюонами. У кварков и глюонов выявилось новое свойство, новое «квантовое число», условно названное цветом. Его сходство с цветом светового луча состоит в том, что и оно может принимать три основных значения (условно — «красный», «зеленый», «синий»), суммирование которых даёт бесцветную, «белую» частицу. — Прим. В.Г. Сурдина)

Ситуация в физике элементарных частиц прекрасно иллюстрирует положение диалектического материализма о познаваемости мира и о безграничности этого процесса. Мы всё лучше разбираемся в свойствах микромира, познаём его все глубже, но перед нами возникают все более широкие перспективы, нам открываются всё более тонкие детали. И каждому следующему поколению выпадают равные шансы на прозрения и заблуждения, на волнующие сенсации.

С ЧЕГО ВСЁ НАЧАЛОСЬ?

Мир, в котором мы живём, лишь в малой степени доступен нашим органам чувств. Однако разум человека позволил ему проникнуть далеко за границы видимого и осязаемого. При этом наиболее существенное продвижение обеспечили не микроскопы и телескопы, непосредственно увеличивающие возможности глаз, а ускорители элементарных частиц, радиотелескопы, разнообразные приборы для исследования спектров и многие другие, среди которых особое место занимают электронные вычислительные машины. Можно сказать, что ЭВМ вооружают не органы чувств, а мозг — орган познания.

Именно мозг, а не органы чувств позволяют нам всё глубже проникать в микромир и макрокосмос. Ведь без приборов, порождённых мыслью учёных, инженеров и конструкторов, мы бессильны при обработке сотен тысяч фотографий, среди которых лишь на нескольких зафиксировано рождение неизвестной частицы или протекание загадочной реакции; без приборов мы не могли бы узнать что-либо о таинственных ядрах галактик и многое другое…