Кванты и музы

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.

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.