Кванты и музы - Ирина Радунская

Результаты Шредингера произвели огромное впечатление. Это была настоящая, большая сенсация. Физикам казалось почти чудом, что результаты, получаемые абстрактными, основанными на применении малоизвестной за пределами узкого круга математиков теории матриц (так называется метод Гейзенберга), совпадают с результатами волновой механики (метод де Бройля), оперирующей совершенно иными и более доступными математическими средствами.

Успехи новой квантовой механики, которую некоторые предпочитали называть волновой механикой, омрачались глубокой, скрытой в ней принципиальной трудностью. Она переносила на частицы вещества — электроны и протоны — все противоречия и неясности, которые вновь ввела в оптику теория фотонов.

Теперь электроны и протоны, эти несомненно реальные корпускулы, оказались обладателями каких-то скрытых от непосредственного наблюдения волновых свойств. Свойств, проявляющихся в атомных спектрах, когда электрон выступает не как свободная частица, а как часть атомной системы.

Разумеется, если учёные хотели быть последовательными в этом утверждении, им нужно было продемонстрировать очевидный всем процесс, где проявляются эти волновые свойства частиц. Им необходимо было допустить, например, что поток электронов, проходя, через отверстие, должен обнаружить яв ление дифракции — такое же, как, скажем, у потока фотонов. Об этом, кстати, и говорил де Бройль, ожидая опытного подтверждения теории. Об этом же говорили и скептики, но как о парадоксе, которому суждено опровергнуть волновую механику.

Опыт наконец сказал своё слово. В Нью-Йорке — Девиссон и Джермер, в Абердине — Томсон и Рид, в Москве — Тартаковский независимо обнаружили дифракцию электронов при их прохождении через кристаллы или тонкие металлические фольги. Электроны вели себя, как волны света, морские волны, как любые традиционные объекты природы, обладающие волновыми свойствами! Но каждый электрон при этом оставался частицей…

Так был продемонстрирован дуализм электронов, вернее, дуализм их волновых и корпускулярных свойств. Впоследствии этот дуализм захватил в свою сферу протоны, а затем и все вновь открываемые частицы.

Очередной триумф теории одновременно расширил и углубил трещины в науке о материи, выявил неудовлетворительное состояние глубинных основ познания природы вещества.

Вопрос «волны или частицы?» требовал ответа.

После первых успехов и первых восторгов, как это часто бывает, наступило отрезвление. Опыт показал, что во многих случаях теория расходится с экспериментом, и не только малыми численными различиями. Например, иногда в спектрах атомов наблюдались линии, не предусмотренные теорией, и среди наблюдаемых линий отсутствовали предсказанные теорией.

Вскоре и эта загадка была решена. Ответ нашёл английский физик Дирак, один из тех «сердитых» молодых людей, которых не удовлетворяла классическая физика. Он утверждал, что причиной неудач является то, что ни де Бройль, ни Гейзенберг, ни Шредингер в своих теориях не учли теории относительности. Что же касается последующих попыток ввести в теорию соответствующие поправки — они были некорректными…

Дирак написал новые уравнения, объединившие принцип квантования и теорию относительности. Они оказались ещё более абстрактными и необычными, чем все предыдущие. Но их решения получались гораздо более близкими к реальности. В частности, из уравнений Дирака автоматически вытекал ответ на вопрос, волновавший физиков в течение трёх лет, предшествовавших работам Дирака.

Никто не мог понять, почему в спектрах некоторых веществ наблюдаются не только одиночные линии, но и двойные, вернее сдвоенные.

Два молодых физика Уленбек и Гаудсмит — это было в 1925 году — решились на авантюрный шаг. Они рискнули приписать электрону помимо заряда и массы ещё одно свойство — уподобили его вращающемуся шарику. Только в этом случае можно с лёгкостью объяснить необъяснимые квантовой теорией двойные спектральные линии. В соответствии с этой гипотезой, электрон ведёт себя как миниатюрный волчок. Его ось, подобно оси любого волчка, стремится сохранить своё направление, а вращательное движение его заряда приводит к появлению собственного магнитного поля электрона. Новое свойство получило наименование «спин» (от английского слова «вращаться»). Гипотеза спина хорошо объясняла непонятные до того особенности спектров, но казалась в высшей степени искусственной, ибо все попытки связать между собой известные характеристики электрона с моделью вращающегося шарика приводили к противоречивым и очевидным нелепостям.

Теория Дирака объясняла магнитные и механические характеристики электрона, не прибегая ни к каким моделям. И эти характеристики были в полном соответствии с опытом. Теория Дирака тоже исходила из предположения, что электрон обладает тремя равноправными свойствами — массой, зарядом и спином, но теперь не нужно было пытаться связать их между собой гипотезой о вращающемся шарике.

Наряду с блестящим решением загадки спина и преодолением многих расхождений первых вариантов квантовой теории с опытом теория Дирака привела к одному парадоксальному ре зультату, противоречившему всему, к чему привыкли физики.

Уравнения говорили о том, что электрон может находиться в состояниях с отрицательной энергией…

Явление, совершенно неслыханное: чтобы электрон начал двигаться, у него нужно отнять энергию. Чтобы привести его в состояние покоя — нужно придать ему энергию!

Эти выводы вызвали длительные споры. Споры не о том, верна ли теория, ибо во всех других случаях за неё был опыт, а о том, как понимать, как объяснить это её удивительное предсказание.

Состояние общей растерянности ещё более усугубилось, когда Дирак предложил выход, не менее парадоксальный, чем парадокс, который следовало объяснить. Он предположил, что его первоначальное толкование результата теории ошибочно, что теория не приводит к отрицательной энергии электрона, а предсказывает существование новой частицы, во всех отношениях тождественной электрону, но имеющей не отрицательный, а положительный заряд.

Физики скептически отнеслись к этой идее. Для них было достаточно известных элементарных частиц — электрона, протона и фотона, из которых так просто складывался весь мир.

Неопределённость господствовала ещё четыре года. Теория справлялась со всеми более сложными задачами, предсказывала новые эффекты, которые вскоре подтверждались опытами, а загадка отрицательной энергии и положительного электрона продолжала смущать тех, кто стремился к ясности и непротиворечивости.

В 1932 году Андерсон, а затем Блекнет и Оккиалини обнаружили при наблюдении космических лучей следы частиц, которые не поддавались объяснению, если не признать их следами положительных электронов. Впоследствии положительные электроны — позитроны — были получены и в искусственных ядерных реакциях.

По значению и по психологическому воздействию триумф теории, предсказавшей в то время существование новой элементарной частицы, можно сравнить лишь с открытием неизве стной ранее планеты Нептун. Теперь мы привыкли к открытию всё более и более удивительных микрочастиц, к предсказанию их свойств, которые затем подтверждаются опытом, и эти сенсации называем просто завершением очередной научной темы.

Наряду с триумфами квантовая теория продолжала встречаться с трудностями. Нерешённый вопрос — волны или частицы? — обращённый то к веществу, то к полю, — порождал новые противоречия.

Например, признав свет потоком фотонов, было естественно считать, что внутренняя полость раскалённой печи наполнена «фотонным газом». Но попытка применить к этому «газу» формулу Планка приводила не к ней, а к давно отвергнутой, ошибочной, «доквантовой» формуле Вина.

Индийский физик Бозе предположил, что корень ошибки — в применении к фотонам тех методов статистики, которые были разработаны для обычных частиц. Но обычные частицы, как думали в то время, вечны, они не рождаются и не гибнут, а фотоны рождаются при испускании и гибнут при поглощении. Иными словами, обычные частицы различимы, их можно, например, перенумеровать. Конечно, не практически, но принципиально это возможно. Фотоны же неразличимы, их нельзя перенумеровать даже в принципе. Если при выводе формул, описывающих статистические свойства частиц, учесть их неразличимость и применить эти формулы к фотонам, то вместо неверного результата Вина получается правильная формула Планка.

Эйнштейну пришлось редактировать немецкий перевод статьи Бозе, в которой излагались эти идеи. Одновременно он познакомился с диссертацией де Бройля, излагавшей волновую механику. Эйнштейн обнаружил глубокую связь этих внешне столь далёких теорий. Он показал, что идеи Бозе могут быть применены не только к фотонам, но к фотонному газу и к обычным газам, если число частиц в них не постоянно. На этом пути он получил ряд новых результатов в старой и, казалось, завершённой области молекулярной физики. Всё более очевидным становилось то, что классичес кая физика является частным случаем квантовой.