Кванты и музы

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…

Нас уже не удивляет то, что новое в мире скрывается за пределами видимого и для его исследования необходимо создавать всё более сложные приборы.

Поразительно, что такое положение сложилось не только в глубинах атома, но и в современной астрономии, особенно в космологии, изучающей строение и развитие Вселенной.

В течение более двух тысячелетий астрономия основывалась на непосредственном наблюдении светил. Галилей, направив свою зрительную трубу в небо, обнаружил не только пятна на Солнце и спутники Юпитера, но и мириады звёзд, недоступных невооруженному глазу.

Увеличение размеров и точности телескопов позволило наблюдать всё более далёкие и всё менее яркие светила. Пришло время, и астрономы научились рассматривать даже объекты, совершенно не излучающие видимого света. Читатель вправе усомниться — телескоп не может зарегистрировать невидимую звезду! Речь не об этом. И даже не о наблюдении в недоступных глазу областях спектра, когда применяются специальные приборы, регистрирующие инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Речь идёт о косвенном наблюдении, если можно так выразиться.

Астрономы обнаружили очень маленькие периодические движения некоторых «неподвижных» звёзд. Какой они сделали вывод? Эти движения, по их мнению, свидетельствуют о том, что колеблющиеся звёзды обладают незримыми спутниками. При помощи спектрального анализа света загадочных звёзд и путём сложных расчётов удаётся получить много сведений об этих удалённых мирах. В одних случаях спутники оказались меньшими, чем видимая звезда, — это никого не удивило, их можно уподобить планетам (Позже открытие планет этим методом не подтвердилось. Наземные телескопы пока не могут измерять положения звёзд с такой точностью, чтобы по их периодическому смещению на небе обнаруживать присутствие рядом с ними планет. Но это оказалось возможным с помощью метода доплеровской спектроскопии, измеряющего периодическое движение звезды вдоль луча зрения наблюдателя. Начиная с 1995 г. этим методом у ближайших к Солнцу звёзд обнаружено около 200 планет. — Прим. В.Г. Сурдина).

В других — не только превосходят по массе видимую звезду, но остаются невидимыми! Ничего подобного астрономы раньше не знали и аналогий этому не находят. Обнаружение звёздных пар, в которых невидимая компонента превосходит видимую, поставило астрономов перед сложной задачей.

Эта задача осталась, по существу, нерешённой и по сей день. Но чтобы предугадать направление её возможного решения, оглянемся на путь, в конце которого остановился Ньютон, и попробуем ухватиться за кончик этой нити Ариадны. Может быть, она приведёт нас к пониманию секрета возникновения и невидимых, и видимых звёзд, и всего многообразия подлунного мира…

После того как была отвергнута догадка Аристарха о движении Земли и планет вокруг Солнца в угоду системы Птолемея, утвердившего неподвижную Землю в центре мироздания, прошли века.