Безумные идеи

В 1911 году молодой француз, начавший самостоятельную жизнь с получения степени бакалавра, а затем лиценциата литературы (по разделу истории), через брата-физика познакомился с рядом докладов, обсуждавшихся на физическом конгрессе. Доклады были посвящены квантам.

— Со всей страстностью, свойственной молодости, я увлекся обсуждавшимися проблемами и решил посвятить свои силы выяснению истинной природы введенных за десять лет до этого в теоретическую физику Максом Планком таинственных квантов, — вспоминает в 1953 году в день своего шестидесятилетия один из замечательных физиков нашего времени, Луи де Бройль.

Он начал работать в лаборатории брата над вопросами рентгеновского излучения и фотоэффекта, а вернувшись в 1919 году из армии, полностью попал под обаяние эйнштейновской теории световых квантов. Его покорило именно то, что маститым немецким ученым казалось подозрительным. Эйнштейн и не претендовал на то, чтобы объяснить при помощи квантов появление цветов тонких пленок — например, радужной окраски разлитой по воде нефти и других интерференционных явлений. Если считать, что свет — только частицы, этого не объяснишь. Творец теории световых квантов оставлял эту задачу волновой оптике. Это легко объяснить, рассматривая свет как волну. Но однобокость каждой из теорий не пугала Эйнштейна. Он считал двойственность закономерной и лежащей в основе природы света. В одних условиях свет существует как непрерывная волна, а в других он не менее реально выступает как поток квантов, которые позднее получили название фотонов — частиц света.

Но Эйнштейн был одинок в своем подходе к природе света. Даже впоследствии, когда он после создания теории относительности был поставлен людьми рядом с Ньютоном, квантовая теория света осталась непонятой и забытой. Она помогла Бору в создании теории атома, но и это не обеспечило ей признания. Сам Эйнштейн, поглощенный все более трудными задачами, возникавшими по мере развития его основного труда, не возвращался к этим работам.

Демобилизованный связист французской армии поднял эстафетную палочку, положенную Эйнштейном. Еще в ранней молодости его поразила аналогия уравнений, управляющих движением волн и поведением сложных механических систем. Теперь же непостижимое появление целых чисел в правилах, позволяющих вычислять орбиты атома водорода, навело его на мысль о родстве этих правил с законами волнового движения, в которых постоянно возникают простые целые числа.

Руководствуясь идеями Эйнштейна, в частности его соображениями о связи массы и энергии, вытекающими из теории относительности, де Бройль проделал для частиц работу, обратную той, которую Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи. Около года ушло на кристаллизацию идей, и в конце лета 1923 года в «Докладах Французской академии наук» появились три статьи, три шедевра, в которых были заключены основные принципы новой волновой механики. Впервые было дано простое истолкование непостижимой квантовой устойчивости движений электронов внутри атома, угаданной Бором; показано, как совместить явления интерференции и дифракции, бывшие монопольной сферой волновой теории, с существованием частиц света — фотонов, вопрос, приведший к крушению корпускулярную теорию света Ньютона: дан первый вывод формулы Планка, родившейся в свое время в результате невероятного озарения, завершившего напряженные усилия пробиться по старому тупиковому пути и приведшего к появлению квантовых идей; и, наконец, показана связь между законами движения частиц и знаменитым принципом Ферма, относящимся к движению волн.

Еще год ушел у де Бройля на написание докторской диссертации, в которой идеи волновой механики были развиты и отшлифованы так тонко, что жюри знаменитой Сорбонны, в состав которого входили такие корифеи французской науки, как Поль Ланжевен и Жан Перрен, без колебаний оценило ее «как бриллиант первой величины».

Прошел год, и загадка микромира была атакована с другой стороны разрушенной линии Мажино. Двадцатипятилетний геттингенец Вернер Гейзенберг опубликовал свою матричную механику.

По темпераменту и научным вкусам он резко отличался от создателей теории световых квантов и волновой механики.

По-видимому, он относился к физике как к увлекательному задачнику, листая который находишь все более интересные, но более трудные задачи. Конечно, в задачнике излагаются только условия — решение требуется найти. Контроль же выполняет верховный судья — его величество опыт. Когда решение найдено, оно из Великого задачника природы переходит в учебники и задачники для студентов, а может быть, и для школьников.

Ученый должен листать задачник природы дальше. Все простые задачи давно решены. Для «новых» классические методы решения оказались непригодными. Здесь каждый предоставлен самому себе. Все зависит от смелости, остроумия и настойчивости. Единственная область атомной физики, куда удалось проникнуть, — это атом водорода. Штурм этой крепости удался благодаря гениальной непоследовательности Бора. Что могло быть надуманнее его рецепта? Сочетать старые уравнения механики с подобранными «правилами квантования»!

Но победителей не судят. Наоборот, им надо подражать. Надо найти рецепт, при помощи которого условия задачи превращаются в решения. Если решения подтверждаются опытом, то стоит ли задумываться о промежуточных действиях? Нужно ли шаг за шагом осмысливать ход решения, разбирать механизм «машины», следить за работой ее «математических шестеренок»?

Матричная механика Гейзенберга — воплощение подобной идеи. Исходные данные задачи записываются при помощи математических символов, образующих таблицу — матрицу. Затем матрица преобразуется по специально разработанным правилам. И... на выходе этой математической мясорубки получается правильное решение.

Матричная механика в известном смысле освобождала теоретика от необходимости... думать. Действительно, основной труд уходил на освоение непривычных математических методов. Дальше все шло удивительно просто. Нужно было записать условия очередной задачи в символической матричной форме (для этого, конечно, нужно поломать голову). Но дальше можно действовать по раз навсегда разработанным правилам. В конце этой почти механической работы возникало решение. Разглядеть его среди леса формул всегда помогал опыт.

Так была прорублена еще одна просека в дремучем лесу микромира.

Весной 1926 года молодой профессор из Цюриха Эрвин Шредингер по-приятельски познакомил де Бройля со статьями, написанными под влиянием его работ.

Де Бройль пришел в восторг. Дебри и завалы на пути к истине были основательно расчищены. Шредингер получил замечательное уравнение, известное теперь под названием волнового. Он показал, что в сложных случаях, когда в процессе участвует сразу много частиц, соответствующая волна, описывающая их движение, становится очень сложной. Она уже не помещается в пределах обычного трехмерного пространства. Для ее описания нужно вообразить пространство со многими измерениями! Так в физику микромира прочно вошло абстрактное многомерное пространство, дотоле бывшее многолетней вотчиной классической физики.

Самое удивительное, что характеристики многомерной волны, полученной Шредингером, совпали с элементами матриц Гейзенберга, получающимися при решении соответствующих задач.

Этим Шредингер показал глубокое родство матричной механики Гейзенберга и волновой механики. Он обнаружил также, что задачи, возникающие при построении теории атома, во многом сходны с чисто механическими задачами колебания мембраны. И там и здесь главную роль играют ряды небольших целых чисел, введенных в модель атома интуицией Бора и давно известных механикам и акустикам.