Кванты и музы
Шрифт:
Так трагической неудачей закончился период величайших успехов физики начала прошлого века.
Тогда существовала надежда, что удастся построить наглядную и непротиворечивую картину мира, основанную на трёх простейших элементах: протонах — ядрах атома водорода, из которых образуются все ядра, электронах — ответственных за все электрические и химические явления, и фотонах — объясняющих все оптические явления и их связь со строением атома. Все эти надежды рухнули.
После перерыва, вызванного Первой мировой войной, физики вновь принялись за работу. Впрочем, физики старшего поколения, не призванные в армию, и в эти годы продолжали искать порванные нити старых и новых теорий.
В эти годы Эйнштейн трудился над обобщением теории относительности, желая найти в ней место для неравномерных движений, например для падения тел в поле тяготения и для вращательных движений. В 1916 году он достиг решающих успехов, опубликовав ряд работ, развивавших общую теорию относительности и позволявших охватить едиными формулами простые движения, поле тяготения и центробежные силы. Этим Эйнштейн заложил основу несбывшейся мечты всей его дальнейшей жизни — мечты о единой теории, описывающей все известные и ещё не открытые поля.
Одновременно Эйнштейн стремился понять, как можно примирить существование фотонов (частиц света) с такими явлениями, как дифракция и интерференция, свидетельствующими о том, что свет обладает несомненными волновыми свойствами.
Эйнштейна тревожило и то, что отсутствовала связь между механизмом взаимодействия энергии с веществом, понятого Планком (формулой Планка, освободившей науку от призрака ультрафиолетовой катастрофы), и боровской моделью атома, получавшей всё большее экспериментальное подтверждение. Нужно было как-то соединить эти две половины одной медали. Ведь то, что происходит внутри атома и вокруг него, несомненно, части одной картины.
Это оказалось непростым делом.
Эйнштейн нашёл выход. Он использовал и объединил далёкие в то время области — радиоактивность и теорию спектров.
Исследование радиоактивности выявило ситуацию, которую невозможно предсказать. Принудило признать наличие в природе непредсказуемых явлений: в частности, индивидуального акта радиоактивного распада. Заставило смириться с тем, что природа разрешает предугадать лишь то, какая доля атомов из данного количества распадётся за определённое время, но не позволяет узнать, когда именно это случится с тем или иным из них.
Среди законов природы есть закон случая. И когда учёные говорят о вероятностных явлениях, они имеют в виду те, что происходят по закону случая. Радиоактивный распад иллюстрирует именно непредсказуемые процессы.
Конечно, такая ситуация вызывала известное неудовольствие. Но что было делать, с этим приходилось мириться. Учёные, возможно, утешали себя примером Ньютона: тот тоже мирился с незнанием природы сил тяготения, удовлетворившись тем, что установил результат действия этих сил и сумел найти им количественную оценку.
А кроме того, нельзя сказать, что вероятностные законы оказались такой уж новостью. Они явились неожиданностью лишь в отношении атомов и элементарных частиц. В мире больших тел, в привычном нам мире не только учёные, но каждый из нас не раз сталкивался с законами случая.
Осень. Облетают листья. Совершенно очевидно, что почти все они упадут на землю. Но ни одна теория не предскажет, куда упадёт каждый лист. Можно лишь с определённой вероятностью утверждать, что листья будут располагаться в основном вокруг дерева. Большая их масса — под кроной. Часть отлетит в сторону. Какое-то количество будет унесено ветром.
Тут действует закон случая — «закон опадающих листьев»…
Эйнштейн смело использовал этот закон в применении к микромиру. Он провёл аналогию между вероятностью радиоактивного распада и вероятностью рождения фотонов при перескоке электронов внутри атома с орбиты на орбиту.
По мнению Эйнштейна, акты излучения и поглощения фотонов тоже подчиняются «закону опадающих листьев» — вероятностным законам. Эти законы относятся к поведению совокупности тел: листьев, атомов. Для большого скопления тел эти законы дают точную формулу поведения. Но о каждом из них в отдельности умалчивают. Для отдельного атома, как и для отдельного осеннего листа, за коны природы разрешают определить лишь вероятность того или иного события. Излучит атом фотон или поглотит — дело случая. Можно только подсчитать вероятность этого для данного отрезка времени.
Наверно, нечто подобное происходит при наступлении атакующей армии: можно определить, сколько снарядов и пуль выпустила в неприятеля эта армия, но невозможно установить, какой солдат или орудие и когда выпустило ту или иную пулю.
Вывод: нет и не может быть жёсткой связи между моментом рождения квантов внутри «атома Бора» при перескоке электронов с одной орбиты на другую и формулой Планка, рисующей поведение этих квантов — потока излучения из вещества — уже вне атома.
Это обескураживало физиков. Жизнь вносила в строгую, привычную к точности физику неопределённость, граничащую с произволом. Пока учёные видели лишь то, что вновь открытые ими квантовые законы запрещают, не видя ещё того, что они разрешают.
Об этом догадался опять-таки Эйнштейн. В его работе, опубликованной в 1917 году, был один нюанс, роль которого выяснилась много позже. Эйнштейн заподозрил возможность управлять излучением атомов. Он указал на то, что атом может излучать не только под влиянием непознанных ещё внутренних причин, но и в результате воздействия внешнего электромагнитного поля. Это был намёк на сенсационные возможности для техники будущего.
Важность этого замечания и его глубокий смысл долго ускользали от большинства учёных. Лишь незадолго до Великой Отечественной войны молодой преподаватель Московского энергетического института Фабрикант увидел в теории Эйнштейна возможность создать усилители света, работающие за счёт внутренней энергии атомов и молекул. Много позже, в 1954 году учёные следующего поколения Басов и Прохоров в Москве и независимо от них Таунс в Нью-Йорке, не зная о предложении Фабриканта, создали молекулярный генератор радиоволн, основанный, по суще ству, на той же работе Эйнштейна. Конечно, для создания этого прибора им пришлось учесть сложные закономерности из области радиофизики и молекулярной физики. Они вступили в интереснейшую область познания, давшую человечеству мазеры и лазеры, которые в свою очередь открыли широкие пути познания природы и развития технологии. Но об этом речь впереди.
Пока же мы должны понять, как постигали учёные давнюю дилемму «волна — частица».
Итак, Эйнштейн, уверовав в квантовую сущность природы, ещё дальше отошёл от волновой теории света. Остальные же учёные старшего поколения продолжали бить тревогу, указывать на то, что теория фотонов не способна объяснить те оптические явления, которые непринуждённо вытекают из волновых представлений. Эти учёные соглашались с фотонами лишь при одном условии: если фотоны представляют собой не физическую реальность, а только приём, облегчающий расчёты.
Впрочем, уже никто не считал эйнштейновские фотоны возвратом к прежним неделимым. Ведь фотоны появлялись в актах испускания и исчезали в актах поглощения, в то время как прежние частицы, например корпускулы Ньютона, считались вечными и неизменными.
Вскоре молодой американец Комптон, «крёстный отец» фотона, доказал, что фотоны могут не только рождаться и исчезать, но и видоизменяться. Он наблюдал воочию, как при столкновении с электроном фотон изменяет и свою энергию, и направление полёта. Конечно, можно сказать и так: при столкновении с электроном один фотон исчезает, а совсем другой рождается. Здесь различаются лишь слова. Суть состоит в том, что Комптон обнаружил доказательства реального существования индивидуальных фотонов.