Физика – моя профессия

До 1925 года не было сомнения, что движение материи – идет ли речь о свете, радиоволнах или электронах – может быть либо тем, либо другим. Ведь третьего варианта невозможно себе представить. И верно – представить нельзя. Но оказалось, что элементарные частицы ведут себя иногда, как горошинки, а в других случаях – как сплошная, непрерывная материя. Нельзя перенести на элементарные частицы законы движения, заимствованные из большого мира – макромира.

До 1925 года звучало аксиомой то, что описание движения частицы заключается в указании траектории, по которой она движется, и в указании скорости движения в каждой точке траектории. Однако это оказалось невозможным сделать для электрона и других элементарных частиц.

Основной закон движения элементарных частиц (не всеобъемлющий, но охватывающий очень широкий класс событий) был дан немецким физиком Эрвином Шредингером. Исходное положение новой науки, которая получила название волновой, или квантовой, механики, звучало необычно. В противоположность классической механике задание внешних сил не определяет траектории и скорости частицы. Закон новой механики позволяет вычислить лишь вероятность того или иного положения частицы.

На первый взгляд может показаться, что никаких революционных выводов физика не получила. Просто волновая механика – плохая теория и не позволяет вычислить точно механическое движение электрона. Но дело обстоит совсем не так.

Несколько позже было показано, что уравнение Шредингера дает исчерпывающее знание поведения электрона. А те данные, которые в принципе не могут быть вычислены, также в принципе не могут быть и измерены на опыте. Скажем, как только вы будете пытаться «рассматривать» электрон, вы столкнете его с траектории. Но то, что ускользает от измерения и вычисления, просто не существует на свете. Пришлось согласиться, что нет такого понятия, как траектория электрона.

Если траектории нет, то как же описать движение электрона? Оказывается, можно вычислить и измерить вероятность нахождения электрона в том месте, которое нас интересует. Если речь идет об электроне, вращающемся около ядра атома, то нельзя нарисовать орбиты, по которой он движется, зато можно заштриховать кольцевую область, внутри которой электрон может быть найден с шансами 99:1 или 999:1 (в последнем случае кольцо будет пошире).

Неопределенность, с которой мы узнаем местонахождение электрона, определяет точность, с которой может быть вычислена скорость его движения. Немецкий физик Вернер Гейзенберг показал, что произведение неопределенностей координаты частицы и соответствующей скорости равно частному от деления некоторого постоянного числа – константы Планка – на массу частицы. Поэтому, чем точнее известна скорость, тем более расплывчаты сведения о местонахождении частицы, и наоборот.

Может все же показаться, что речь идет всего-навсего о неполном описании движения электрона: траектория у него, наверное, есть, не может быть, чтобы ее не было, убеждает нас здравый смысл, просто физики еще не научились ее ни вычислять, ни измерять.

Придется привести описание схемы опыта, который покажет несостоятельность и такого мнения. Представьте себе экран с двумя щелями. На экран направлен поток электронов, часть электронов проходит через отверстия и попадает на помещенную сзади экрана фотопластинку. Делаем две фотографии: первую, закрывая одну из щелей, и вторую – когда обе щели открыты. Сопоставляя два снимка, мы на втором увидим сложную систему темных и светлых полос – будто в одни места пластинки электроны попали, а в другие нет. Для электронов, ведущих себя как горошинки, это совсем непонятно. Но дальше – хуже. Обратим внимание лишь на одну подробность: на фотографии одной щели мы можем найти такое место, куда электроны, безусловно, попали, а это же место на фотографии двух щелей оказывается не тронутым электронами. Кажется, чудо. Ведь открытие второй щели должно привести к дополнительному попаданию электронов-горошинок, но уж никак не к посветлению фотографии.

Положение дел, наблюдаемое на опыте, категорически исключает возможность представить электроны, как частицы, имеющие траекторию. Как же тогда быть? Оказывается, явление легко объясняется, если допустить мысль, что электроны – волны. Тогда гребень одной волны, приходя на впадину другой, может привести к нулевому результату, хотя при действии порознь обе волны вызывают определенный эффект.

Приходится согласиться с тем, что представление об электроне, как о частице с траекторией (и то же самое относится к другим элементарным частицам), противоречит опыту.

На вопрос – в какой мере и в каких опытах электрон проявляет то свои волновые свойства, то сходство с горошинкой – исчерпывающе отвечает уравнение Шредингера.

Огромное количество экспериментальных фактов большой сложности объясняет это уравнение. С его помощью предсказываются сложнейшие события в жизни элементарных частиц. Ни один из физиков не сомневается в справедливости этого закона природы.

Закон квантовой механики возводит волновокорпускулярный дуализм частицы в ранг аксиомы. Правда, следует помнить, что мы говорили о временном характере научного потолка. Вполне возможно, что сегодняшние аксиомы окажутся следствиями еще не найденных более общих законов природы.

Один остроумный довод в пользу того, что закон волновой механики является временным потолком, если не ошибаюсь, принадлежит виднейшему физику современности англичанину Полю Дираку.

Три фундаментальные константы входят в основные законы, управляющие поведением элементарных частиц, – это скорость света, заряд электрона и постоянная Планка, о которой недавно была речь. Если помножить постоянную Планка на скорость света и разделить на квадрат заряда электрона, то получится безразмерное число 137. (Безразмерное – значит не зависящее от выбора единиц измерения.) Почему это отношение равно именно 137, а не какому-либо другому числу? Будущая теория должна дать ответ на этот вопрос. Но если она это сделает, то вместо трех фундаментальных констант их окажется две. Теория, которую мы ждем с нетерпением, должна автоматически вывести значение одной из них через две Другие.

Представляется наиболее логичным, что этой третьей, производной константой явится постоянная Планка (я опускаю аргументацию, которая в общем является довольно произвольной). Но постоянная Планка, определяя ту предельную точность, с которой могут быть одновременно установлены координата и скорость частицы, лежит в основе принципа неопределенностей. Вывод из этого рассуждения таков: будущая теория обойдется без принципа Гейзенберга, а значит, изменит наше понимание волновокорпускулярного дуализма.

Четверть века назад представлялось, что этот шаг в прогрессе физической теории не заставит себя ждать. Развитие науки не оправдало этих ожиданий. Новая интерпретация движения элементарных частиц все еще ждет своего автора.

Но будет или не будет волновокорпускулярный дуализм объяснен, то есть окажется ли он или не окажется следствием более общих законов природы, все равно зрительное представление движения элементарных частиц невозможно.

Это обстоятельство казалось совершенно невыносимым зрелым физикам, воспитанным на идеях XIX века. Чтобы представить их, так сказать, моральное состояние, любопытно перелистать некоторые страницы дополнительного тома «Курса физики» Ореста Даниловича Хвольсона. Этот том Хвольсоном написан незадолго до своей смерти и вышел в свет в начале тридцатых годов. Пять толстых томов «Курса физики» Хвольсона просматриваются сейчас только теми, кто интересуется старой физикой. Изданные в начале двадцатых годов, они давали исчерпывающее представление о теоретической и экспериментальной физике, созданной XIX веком. Материал излагается строгим научным языком. Физические явления толкуются с единых позиций: механическое движение частиц и непрерывность среды объясняют все физические явления. Конечно, были и неясности, но они представлялись несущественными, временными; в общем это были мелочи.