Кванты и музы

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.

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.