Леонид Пономарев - По ту сторону кванта

• Название: По ту сторону кванта
• Автор: Леонид Пономарев
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Физика
• Год: 1971

Бытует упорное мнение, что в науке есть факты, которые начинающим с нею знакомиться знать рано, а сообщать искушенным в ней — стыдно. Чаще всего об этом вспоминают, когда пытаются объяснить строение атома. Быть может, поэтому до сих пор не написана книга о квантовой механике достаточно строгая, чтобы не обидеть знатока, достаточно простая, чтобы не отпугнуть новичка, и вместе с тем интересная им обоим.

Эта книга не для знатоков, хотя и они найдут здесь несколько неожиданных фактов. Она для тех, кто заканчивает школу, и для тех, кто пытается посмотреть на мир немного шире, чем позволяет им их специальность — необходимо узкая, чтобы быть продуктивной.

В предлагаемой книге история атома рассказана вполне строго. Но строгость в ней не самоцель: как правило, нам интересны не только сами факты, но и их толкование и обстоятельства, при которых они открыты. Поэтому главное в книге — эволюция идей и понятий атомной физики, образующих единую систему — простую и гармоничную. Именно эта внутренняя красота была побудительной причиной появления книги. Я буду считать свою работу не напрасной, если прочитавший ее почувствует силу логических построений квантовой механики и красоту их неожиданно простых следствий.

---

Независимо от них в Кембридже ту же задачу решил Поль Дирак, который летом 1925 года на семинаре у Петра Леонидовича Капицы слушал доклад Гейзенберга, посетившего Англию вскоре после выздоровления.

С помощью этой новой математики осенью того же года Вольфганг Паули нашел уровни энергии атома водорода и доказал, что они совпадают с уровнями атома Бора.

В то же лето Гаудсмит и Уленбек предложили гипотезу о спине электрона, Луи де Бройль окончательно разработал идею о волнах материи, а Эльзассер и Эйнштейн посоветовали объяснить с помощью этих теорий эксперименты Дэвиссона и Кенсмена по отражению электронных пучков от поверхности металлов.

Волновая механика родилась год спустя, весной 1926 года. Ее встретили недоверчиво, поскольку в ней явно отсутствовали квантовые скачки — то, к чему лишь недавно и с большим трудом привыкли и что считалось главной особенностью атомных явлений.

В июне 1926 года Гейзенберг приехал в Мюнхен навестить родителей и «…пришел в совершенное отчаяние», услышав на одном из семинаров доклад Эрвина Шредингера и его интерпретацию квантовой механики.

Споры о волновой механике продолжались часами и днями и достигли предельной остроты в сентябре 1926 года, когда Шредингер приехал по приглашению Бора в Копенгаген.

Шредингер настолько устал от дискуссий, что даже заболел и несколько дней провел в доме Бора, который в течение всей болезни гостя почти не отходил от его постели.

Время от времени, характерным жестом подняв палец, Нильс Бор повторял:

— Но, Шредингер, вы все-таки должны согласиться… Однажды почти в отчаянии Шредингер воскликнул:

— Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с атомной теорией!

— Зато остальные весьма признательны вам за это, — ответил ему Бор.

С течением времени точки зрения сторонников матричной и волновой механик сближались. Сам Шредингер доказал их математическую эквивалентность, а Макс Борн летом 1926 года догадался, какой физический смысл следует приписать ψ-функции Шредингера.

Опыты по дифракции электронов, ставшие известными осенью 1926 года, сильно укрепили веру в теории де Бройля и Шредингера. Постепенно физики поняли, что дуализм «волна-частица» — это экспериментальный факт, который следует принять без обсуждений и положить его в основу всех теоретических построений.

Теперь ученые старались понять, к каким следствиям приводит этот факт и какие ограничения он накладывает на представления об атомных процессах. При этом они сталкивались с десятками парадоксов, понять смысл которых зачастую не удавалось.

В ту осень 1926 года Гейзенберг жил в мансарде физического института в Копенгагене. По вечерам к нему наверх поднимался Бор, и начинались дискуссии, которые часто затягивались за полночь. «Иногда они заканчивались полным отчаянием из-за непонятности квантовой теории уже в квартире Бора за стаканом портвейна, — вспоминал Гейзенберг. — Однажды после одной такой дискуссии я, глубоко обеспокоенный, спустился в расположенный за институтом Фэллед-парк, чтобы прогуляться на свежем воздухе и немного успокоиться перед сном. Во время этой прогулки под усеянным звездами ночным небом у меня мелькнула мысль, не следует ли постулировать, что природа допускает существование только таких экспериментальных ситуаций, в которых… нельзя одновременно определить место и скорость частицы».

В этой мысли — зародыш будущего соотношения неопределенностей.

Быть может, чтобы снять напряжение этих дней, в конце февраля 1927 года Нильс Бор уехал в Норвегию отдохнуть и походить на лыжах. Оставшись один, Гейзенберг продолжал напряженно думать. В частности, его очень занимал давний вопрос товарища по учебе, сына известного физика Друде: «Почему нельзя наблюдать орбиту электрона в атоме при помощи лучей с очень короткой длиной волны, например гамма-лучей?»

Обсуждение этого эксперимента довольно быстро привело его к соотношению неопределенностей, и уже 23 февраля он написал об этом Паули письмо на 14 страницах.

Через несколько дней возвратился из отпуска Бор с готовой идеей дополнительности, которую он окончательно продумал в Норвегии.

Еще через несколько недель напряженных дискуссий с участием Оскара Клейна все пришли к выводу, что соотношение неопределенностей — это частный случай принципа дополнительности, для которого возможна количественная запись на языке формул.

В последующие месяцы интерпретация математического формализма квантовой механики дополнялась и уточнялась и окончательно утвердилась в Брюсселе на Сольвеевском конгрессе осенью 1927 года. На этот конгресс собрались Планк, Эйнштейн, Лоренц, Бор, де Бройль, Борн, Шредингер, а из молодых — Гейзенберг, Паули, Дирак, Крамерс. Это была самая суровая проверка всех положений квантовой механики. Она ее с честью выдержала и с тех пор почти не претерпела никаких изменений.

В те годы в Копенгагене, в институте Бора, была создана не только наука об атоме — там выросла интернациональная семья молодых физиков. Среди них были Гейзенберг, Паули, Крамерс, Гамов, Ландау, Гаудсмит и многие другие. Беспримерное в истории науки содружество ученых отличали бескомпромиссное стремление к истине, искреннее восхищение перед величием задач, которые им предстояло решить, и неистребимое чувство юмора, которое так гармонировало с общим духом интеллектуального благородства: «Есть вещи настолько серьезные, что о них можно говорить лишь шутя», — любил повторять Нильс Бор. который стал их учителем и духовным отцом.

Через много лет политические бури разбросают их по всему миру: Гейзенберг станет главой немецкого «уранового проекта»; Нильс Бор, спасаясь от нацистов, окажется в американском центре атомных исследований в Лос-Аламосе, а Гаудсмита назначат руководителем миссии «Алсос», которая будет призвана выяснить, что успел сделать Гейзенберг для постройки немецкой атомной бомбы.

Сейчас этих людей осталось совсем немного, и вместе с ними из жизни уходит целая эпоха в физике, которую можно сравнить лишь с эпохами Галилея и Ньютона.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

Что такое квантовая механика? — Что такое атом? — Физическая реальность

Нильс Бор, объясняя на примерах свой принцип дополнительности, любил вспоминать известную шутку Бернарда Шоу: «Хороший специалист — это тот, кто знает много о немногом. Хороший журналист — тот, кто знает понемногу о многом. В пределе: самый хороший специалист знает все ни о чем; наилучший журналист знает ничего обо всем».

Глава одиннадцатая

Козьма Прутков принципа дополнительности не знал и объяснялся проще: «Специалист подобен флюсу — полнота его односторонняя». И наоборот: «Нельзя объять необъятное».

Эти шутки приобрели особый смысл в наше время, когда на человека ежедневно обрушивается поток информации: книги, радио, телевизор, журналы… (В книгохранилищах мира 60 миллионов книг, и каждую минуту выходит в свет еще одна.) Люди неподготовленные, внезапно попадая в этот поток знаний, отчаиваются вообще что-либо в нем понять и предпочитают плыть по течению, не зная ничего ни о чем. Люди недалекие пытаются обмануть себя и других, черпая из этого потока лишь верхушки знаний, которые стали теперь так доступны и к тому же красиво упакованы.

Но большая часть людей стремится все же выделить из потока информации лишь те знания, которые абсолютно необходимы им или же доставляют необъяснимую радость, — конечно, каждый по-своему и в меру сил, отпущенных ему природой. Процесс этот строго индивидуален, во многом стихиен и не поддается безукоризненному логическому анализу. Нельзя в колыбель новорожденного положить рецепт с точным указанием: когда, в каком порядке и какие книги необходимо прочесть ему в течение жизни.

Информация

Однако некоторые правила все-таки существуют, точно так же как известны способы продления жизни, хотя рецепта бессмертия не было и нет. Невозможно знать все. Хорошо знать много. Но хотя бы что-то одно необходимо знать досконально. Только такое знание сообщает человеку уверенность, способность самостоятельно мыслить и создавать новые ценности.

Еще не найдено «соотношение неопределенностей» для процесса познания, которое укажет равновесие между «количеством» и «качеством» необходимых человеку знаний и строго определит границы возможного при выборе предмета и способа его изучения. Но одно бесспорно: верхоглядство не приносит ни пользы, ни удовольствия. Все мы так или иначе поражены логической красотой и могуществом науки, однако салонные разговоры о ней носят печать какой-то особой пустоты, если за ними не стоит знание точных фактов и четких понятий.