Страница 32 из 76
Возникает законный вопрос: чем же теперь ограничиваются возможности наблюдения частиц микромира? Ответ был найден одним из создателей квантовой физики Гейзенбергом. Его ответ приобрел глубокое принципиальное значение, далеко выходящее за рамки вопроса о разрешающей способности микроскопов, основанных на применении фотонов или заряженных частиц. Об этом речь впереди. Здесь следует подчеркнуть характернейшую черту прогресса: теория и практика постоянно чередуются в лидерстве. То теория, прозрев неведомое явление, дает толчок развитию техники, приборостроения, машиностроения. То наблюдения практиков, эксплуатирующих технику, дают пищу для размышлений теоретикам, толчок к пониманию причин и закономерностей явлений. Эта перекличка идет почти в любой сфере деятельности исследователей. Мы же остановились на истории микроскопов потому, что здесь эта перекличка особенно рельефна, и потому, что события касаются новейших областей науки о природе — физики. И еще потому, что в этой области особенно контрастно выступает единство целей мысленного эксперимента и реального опыта, их взаимодействие.
Вопрос о совместимости волновых и корпускулярных свойств света продолжал волновать ученых на рубеже второй четверти XX века, волновать еще больше, чем во времена Ньютона. Тогда речь шла лишь об альтернативных возможностях описания единого круга явлений. Теперь сведения о природе расширились и углубились. Стало ясно, что на флангах наших знаний о свете имеются, с одной стороны, факты, непринужденно объясняемые волновой теорией и непонятные с квантовой точки зрения (дифракция, интерференция), и другие факты, легко объяснимые при квантовой трактовке и резко противоречащие волновому подходу (фотоэффект, эффект Комптона). Положение представлялось большинству ученых столь неудовлетворительным, что интеллектуальное напряжение стало почти нестерпимым. Эйнштейн вновь и вновь возвращался к этой задаче, а Бор был готов к самым крайним мерам, лишь бы устранить эти противоречия.
В 1924 году он вместе с Крамерсом и Слэтером заявил, что для примирения волнового распространения света с квантовым характером его испускания и поглощения следует отказаться от закона сохранения энергии в индивидуальных актах испускания и поглощения. Они предположили, что великий закон выполняется при этом только в среднем, статистически. Возбуждение, вызванное столь радикальной гипотезой, усугублялось авторитетом Бора, уже тогда ставшим очень большим.
Спокойным оставался только Эйнштейн. Он не верил в возможность нарушения закона сохранения энергии и продолжал работать, применять и развивать квантовую теорию, считая, что тайна двойственности со временем будет раскрыта.
Несколько позднее Боте и Гейгер, ранее подтвердившие на опыте совпадение волнового и квантового подхода в опыте, предложенном Эйнштейном, взялись за детальное изучение эффекта Комптона. В результате они эспериментально установили, что закон сохранения энергии справедлив и для индивидуальных актов испускания и поглощения фотонов атомами.
Отчаянная попытка Бора, Крамерса и Слэтера оказалась одним из многих тупиков в лабиринте познания. Но одна идея, высказанная ими в неудачной статье, содержала в себе зерно истины. Волна, приписываемая электронам, каким-то образом определяла вероятность индивидуального акта излучения или поглощения фотонов атомами.
Следующие два года стали переломными. В 1925 году Гейзенберг изобрел квантовую механику, основанную на применении особого математического аппарата. Страдая от сенной лихорадки, он уехал на море, передав своему учителю Борну статью с изложением этих идей. Борн сразу оценил значение работы и немедленно направил ее в печать. Однако, читая статью, он обнаружил, что молодой гений плохо знал достижения математиков! Следуя Мольеру, можно сказать: Гейзенберг не знал, что говорил «прозой», — не подозревал, что пользуется известным исчислением матриц. За время болезни Гейзенберга Борн вместе с Иорданом придали идеям Гейзенберга форму матричной механики. Так возник один из наиболее эффективных методов квантовой физики.
Весной следующего года Шредингер, развивая волновые представления де Бройля, разработал новую форму волновой механики, основанную на привычном для большинства ученых применении дифференциальных уравнений. Когда он пустил ее в дело — для расчетов процессов микромира, — он был потрясен: его подход, основанный на восходящем к Ньютону методе дифференциальных уравнений, и матричный подход Гейзенберга — эти два столь различные подхода — дали совпадающие результаты! Более того, Шредингеру удалось доказать, что это, по существу, одно и то же. Великая книга природы оказалась переведенной на два равноправных математических языка…
Вскоре Борн, принадлежащий к тому же поколению, что и Эйнштейн, и также стремившийся к полной ясности, поднял эстафету, брошенную Бором, Крамерсом и Слэтером при их неудачном выпаде против закона сохранения энергии. Не реальная световая волна, а абстрактная волновая функция Шредингера, вернее, квадрат этой функции, определяет вероятность индивидуальных событий в микромире. Это стало путеводной звездой всех, учившихся переводить математический язык квантовой механики на язык реальных событий мира — язык, состоящий из слов, пришедших к нам из обыденной жизни, и очень похожих на них слов и понятий, рожденных классической физикой. Гейзенберг немедленно принял пас своего учителя. Он тоже нашел возможность определять эту вероятность своим методом. Вероятность легко получалась как квадрат соответствующей матрицы… Мост между квантовой физикой и классической был проложен, но оставался еще очень шатким. Когда физики вступили на этот мост, все кружилось и плыло у них перед глазами. Мир казался пьяным…
К осени 1926 года Шредингер, один из создателей квантовой физики, подобно ученику чародея из баллады Гете, впервые испугался разрушительной силы демона, выпущенного им на свободу. Вероятностные закономерности и квантовые скачки между дискретными значениями энергии казались ему несовместимыми с четкой картиной классического мира, управляемого жесткими причинными связями. В сентябре 1926 года по приглашению Бора Шредингер приехал в Копенгаген. Начались изнурительные дискуссии по глубинным основам квантовой механики. Шредингер убеждал: нужно отказаться от представления о квантовых скачках и от вероятностной трактовки. Бор упорствовал: без этого нельзя понять даже формулу Планка. В конце дискуссии Шредингер в отчаянии воскликнул: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я жалею, что вообще начал дело с квантовой теорией!» Это запомнил третий участник дискуссии — Гейзенберг; запомнил он и ответ Бора: «Зато остальные благодарны вам за это, ведь вы так много сделали для выяснения смысла квантовой теории».
Трудная дискуссия дала толчок титанической работе, главная часть которой легла на плечи Бора и Гейзенберга. Гейзенберг в своих построениях отталкивался от идеи, приведшей когда-то Эйнштейна к теории относительности. Нужно, думал он, как это сделал Эйнштейн, изгнать из теории все, чего не может быть в реальности. Нужно действовать смелее. Ведь Эйнштейн изгнал «абсолютное время», введенное в науку Ньютоном. И это обернулось удачей, сделало формулы более конструктивными.
В мыслях Гейзенберга родился удивительный призрак. Впрочем, он был органичен для того времени напряженных дискуссий о двуединой сущности света. В воздухе все время витало это «либо — либо». Свою находку Гейзенберг назвал принципом неопределенности. Он провозгласил: величины, описывающие реальные состояния, возможные в природе, разбиваются на сопряженные между собой пары. Причем эти пары таковы, что их точное одновременное измерение невозможно. А раз это невозможно, то теория должна включать в себя такую невозможность. Иначе она не может правильно описывать реальный мир. К таким парам относится, например, точное положение частицы и ее точная скорость. На сухом языке математики: координата частицы и ее импульс (произведение массы на скорость).