Текст книги "Безумные идеи"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 24 страниц)

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.

Третья атака

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.

В понимании Шредингера квантовые числа Бора определялись просто числом дебройлевских волн электрона, укладывающихся на его орбите.

Так, в результате вдохновенной работы де Бройля, Гейзенберга и Шредингера родилась новая квантовая механика, удивительное, не совсем понятное, заряженное математической взрывчаткой оружие для дальнейших походов в микромир.

А через год, весной 1927 года, Девиссон и Джермер, два инженера из американской промышленной лаборатории, занимавшиеся вопросами технического использования электроники, неожиданно для себя сделали важнейшее физическое открытие. Они совершенно случайно, не стремясь к этому, обнаружили дифракцию электронов. При прохождении пучка, электронов через кристалл на фотопластинке получались такие же картины, как при прохождении рентгеновых лучей. Волновая природа электронов, предсказанная теорией, была подтверждена опытом. Началось триумфальное шествие новой теории.

Но это было странное шествие. Теория раскалывала все более и более твердые орешки, подбрасываемые ей экспериментаторами, но не могла ответить на некоторые подкупающе простые вопросы. Например, если было точно известно положение электрона, оказывалось невозможным определить его скорость и наоборот. Это казалось платой за приписывание частицам волновых свойств. Причина оставалась неясной. Это была кавалерийская атака без обеспечения тылов. Она не могла продолжаться долго.

Копенгагенский «котел»

В это время Копенгаген стал одним из наиболее активных центров развития теоретической физики, где вокруг Бора в непринужденной обстановке группировалась творческая молодежь из многих стран. Напряженная работа, начинавшаяся в аудиториях, библиотеке и небольших кабинетах, продолжалась за обеденным столом, во время вечерних прогулок, за столиками кафе. Здесь все были равны. Только что принятый аспирант ожесточенно спорил с самим Бором, и «сам» не считал зазорным признать, если оказывалось, что ошибается именно он.

Шредингер, который в течение некоторого времени пытался отказаться от квантовых скачков и полностью заменить в атоме электроны-частицы трехмерными волнами материи, осенью 1926 года приехал в Копенгаген, чтобы в горниле дискуссии апробировать свои работы. В результате было установлено, что так не только нельзя построить непротиворечивую теорию атома, но даже не удается объяснить планковский закон излучения черного тела.

Шредингер уехал, проклиная затею с квантовыми скачками. «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, – сокрушался он, – то я жалею, что вообще имел дело с квантовой теорией!»

Копенгагенская дискуссия продолжала бушевать много месяцев подряд. Споры тянулись до глубокой ночи. Надежда на просвет сменялась разочарованием. Это был один из замечательных «котлов» коллективного научного творчества. Гейзенберг вспоминает: «И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах».

Вновь и вновь обсуждалась работа Бора, Крамерса и Слетера, которые еще в 1924 году пытались устранить противоречие между волновой и корпускулярной картинами. Они считали электромагнитные волны не реальными полями, а волнами вероятности, показывающими, где скорее всего должен появиться квант света – фотон. Но эта упрощенная точка зрения оказалась неверной. Она приводила, в частности, к возможности нарушения закона сохранения энергии в элементарных актах, а это было недопустимым прегрешением против святая святых природы.

Закон сохранения энергии не мог быть нарушен. Взаимосвязь между волновой и корпускулярной картинами должна была быть более сложной. Однако идея вероятностной интерпретации вновь и вновь порывалась на поверхность копенгагенского «котла».

Использовав идеи Шредингера, Макс Борн предположил, что волна вероятности – это не трехмерная волна, аналогичная радиоволнам, свету или упругим волнам, а шредингеровская волна в многомерном пространстве. Это уже не волна материи, не материальный заменитель электрона, фотона или другой частицы, а абстрактный математический образ, тесно связанный с этими частицами. Борн предположил, что квадрат от амплитуды (высоты) этой незримой нематериальной волны определяет вероятность появления частицы в данном месте и в данный момент. Представить эту волну как нечто материальное невозможно и не нужно, но она удивительным образом позволяла согласовать теорию с экспериментом.

Эта трактовка не приводила к нарушению закона сохранения энергии. Но оставалось много неясностей: как определять, например, такую основную и, казалось, простую величину, как скорость частицы?

Дорогая цена

Выход из положения снова указал Гейзенберг. Стремясь к формальной стройности теории и много размышляя над философией проблемы, он сформулировал знаменитое соотношение неопределенностей. Оно было предельно просто: произведение ошибок в определении положения частицы и ее скорости не может быть меньше определенной величины, тесно связанной со знаменитым квантом, введенным еще Планком.

Гейзенберг не давал математического анализа истоков этого соотношения. Он вывел его из простого мысленного эксперимента и показал, что на опыте оно всегда справедливо. Он продемонстрировал новые возможности, открывающиеся, если признать это соотношение, в качестве основного закона микромира.

Новое соотношение, возведенное в ранг принципа неопределенности, позволило придать квантовой механике формальное совершенство и внутреннюю непротиворечивость. Но эти преимущества оказались оплаченными дорогой ценой. Квантовой механике пришлось отказаться от детального, наглядного описания процессов.

Исчезла наглядность, столетиями помогавшая ученым в их путешествиях по дебрям неведомого. Нельзя было даже мысленно проследить за траекторией движения электрона – ведь для этого нужно было одновременно знать его положение и скорость, а теория объявила это невозможным. Теории пришлось даже отказаться от возможности подробного анализа причин явлений микромира. Новая теория разорвала цепь бытия.

«Пала связь времен. Зачем же я связать ее рожден?» – вероятно, задавали себе не раз гамлетовский вопрос физики, приговорившие себя к добровольной каторге на галерах микромира. От привычной канвы событий остались отдельные звенья, связанные лишь нематериальными математическими формулами. Можно было вычислить лишь вероятность того, что за данной причиной наступит определенное следствие.

В науку вторглась случайность, но не случайность классической физики, бывшая лишь результатом отказа от чересчур громоздких вычислений в очень сложных задачах, а новая случайность, которая приобретала принципиальный характер. Выявились новые вероятностные закономерности, управляющие микромиром.

Оказывалось, что природа устроена так, что в ней не всегда действуют простые механические причинные связи.

Это была знаменитая копенгагенская интерпретация, родившаяся в результате ожесточенных споров и напряженного творчества многих ученых.

Ее положения совершенствовались и уточнялись еще в продолжение длительного времени в ходе новых широких дискуссий.

Двойное решение

Ученым старшего поколения – Лорентцу, Эйнштейну, Планку и многим другим, стихийно стоявшим на позициях материализма, копенгагенская интерпретация казалась неприемлемой.

Они считали, что классическая причинность является непременным элементом природы и всякая физическая теория должна быть способна однозначно описывать связь между причиной и следствием.

Замечательный французский физик Ланжевен, например, называл разговоры о крахе причинности интеллектуальным развратом. Все они не сомневались в том, что частицы и поля существуют в пространстве и что движение частиц – это перемещение из одной точки пространства в другую. Если бы частица окрашивала свой путь в пространстве, мы должны были бы видеть ее след; точки, в которых она побывала, должны слиться в непрерывную линию – траекторию. Копенгагенская интерпретация заменяла эту линию толстым шнуром, темным в середине и постепенно светлеющим по краям. По оси этого шнура лежит наиболее вероятная траектория, но частица может оказаться сколь угодно далеко от нее, а затем вновь обнаружится вблизи середины. Вероятностная интерпретация не позволяет одновременно предсказать точное значение положения частицы и ее скорости. Понятие определенной траектории заменяется облаком вероятности.

Против такой интерпретации восставал и де Бройль, считавший задачей физической теории подробное описание явлений микромира и не допускавший отказа от классической причинности. Шредингер тоже считал эти затруднения недостатком теории.

Но, несмотря на настойчивые усилия де Бройля, ему не удалось создать математического аппарата, позволяющего во всех деталях проследить за ходом событий микромира.

Он исходил из того, что в будущей теории понятия волны и частицы должны сохранить свой обычный характер. Частицу следует рассматривать, следуя образному выражению Эйнштейна, как горб – некоторую особенность – на хребте волны. Но как осуществить эту программу? В результате напряженных усилий де Бройль пришел к тому, что он назвал «теорией двойного решения». Суть этой теории в том, что уравнения волновой механики должны допускать два решения – одно, обладающее «особенностью», должно реально представлять существующую частицу, другое – совершенно «гладкое» – должно давать лишь вероятностное описание перемещения облака частиц.

Однако математическое обоснование этой теории, полученное де Бройлем, не удовлетворило его, поэтому, опубликовав программную статью, он не развил этих идей и перешел к более осторожной теории волны-лоцмана, в соответствии с которой волна, получающаяся в решениях уравнений квантовой механики, указывает дорогу движению частицы.

Здесь он отказался от включения частицы в волну, но, отдавая должное корпускулярно-волновой двойственности, сохранил интуитивное понятие о точечной частице, перемещающейся в пространстве в соответствии с законом причинности.

Великий спор

Так обстояли дела в конце 1927 года, когда крупнейшие физики собрались в Брюсселе, чтобы коллективно обсудить создавшееся положение.

Председательствовавший патриарх физиков Лорентц во вступительном слове провозгласил свое убеждение в справедливости классического принципа причинности и необходимости описания физических явлений в рамках пространства и времени.

Он сказал: «Для меня электрон является частицей, которая в заданный момент времени находится в определенной точке пространства, и если у меня возникла идея, что в следующий момент частица вообще находится где-то, то я должен подумать о ее траектории, которая является линией в пространстве. Картина, которую я хочу создать себе о явлениях, должна быть совершенно четкой и определенной».

Лорентц, последний из классиков, был явно обеспокоен чрезмерными абстракциями новой квантовой теории. Желание сохранить в науке образность и наглядность классических представлений было его завещанием новому поколению физиков. Завещанием потому, что через три месяца после конгресса Лорентц умер.

Конгресс стал ареной самой напряженной дискуссии, которую только знала история науки.

Бор изложил новую точку зрения, выработанную им вместе с Гейзенбергом и другими участниками копенгагенских раздумий. Суть ее вкратце сводилась к тому, что следует отказаться от детального описания поведения микрочастиц в каждый момент времени, нужно отказаться от попыток представить себе их траектории и удовлетвориться вычислением вероятности наблюдения того или иного события, того или иного результата опыта.

Бор сформулировал новый принцип, который он назвал принципом дополнительности и который фиксировал, что объекты микромира в одних случаях выступают в качестве частиц, а в других – ведут себя подобно волнам и что (в этом был центральный пункт) невозможно одновременно точно установить как их корпускулярные, так и их волновые свойства. Одно исключает другое, но совместно дают полное описание природы частиц.

Бор настаивал на этой точке зрения. Эйнштейн резко возражал. Он был против вероятностной интерпретации и настаивал на полном сохранении принципа причинности, на необходимости объединения двойственности в единой физической теории. Бор остроумно парировал возражения Эйнштейна. Основным аргументом, однако, оказалось отсутствие точной теории микромира, в то время как квантовая механика, покоящаяся на соотношении неопределенностей, одерживала успех за успехом. Эйнштейн и другие оппоненты могли только возражать, могли указывать слабые места интерпретации Бора, но не могли предложить ничего лучшего.

Большинство ученых постепенно стало на точку зрения Бора, и его интерпретация квантовой механики, получившая наименование «копенгагенской», восторжествовала. И атаки на нее поутихли на долгое время.

Конечно, и в этот период Эйнштейн и многие другие физики продолжали уточнять и обосновывать свои возражения, но ничего могущего заменить вероятностную интерпретацию они создать не смогли.

Это была своего рода оборона против активно наступавшей копенгагенской интерпретации. Контратаковать ее пытался лишь де Бройль. Вернувшись из Брюсселя в Париж, он в спокойной обстановке восстановил ход дискуссии на конгрессе и окончательно признал, что возражения против теории волны-лоцмана неопровержимы. Ведь волна, рассматриваемая как носитель вероятности, действительно могла определить лишь вероятное положение траектории, а не истинный путь частицы, если даже такой существует. А в том, что траектория, как истинный путь частицы, существует, де Бройль не сомневался. Более того, он был убежден, что теория двойного решения может его указать. Но, пишет он, обескураженный математическими трудностями, «я полностью отказался от попыток детерминистического истолкования волновой механики и полностью присоединился к концепциям Бора и Гейзенберга».

Бессилие заставило де Бройля признать точку зрения, в которую он не верил.

Систематически боролись с копенгагенской интерпретацией советские физики А.Д. Александров, Д.И. Блохинцев, В.А. Фок и многие другие. Они указывали на пороки этой интерпретации. Но и они больше преуспели в решении актуальных физических и технических задач, чем в глубоком обосновании квинтовой теории. Им тоже не удалось пока создать замкнутой теории с соответствующим математическим аппаратом, удовлетворяющей всем сформулированным ими требованиям.

Продолжение следует

Дальнейшее развитие квантовой физики, ее поразительные успехи в теории атомов и молекул и многое другое, о чем будет рассказано в этой книге, проходило на фоне вероятностной интерпретации.

Многих она не удовлетворяла, но ничего лучшего не существовало, а она помогала решать все более сложные задачи, вела физиков все глубже в тайны микромира. Проблема элементарных частиц вновь и вновь со всей остротой ставила вопрос о структуре квантовой физики.

Все больше и больше данных свидетельствует о том, что разобраться в строении элементарных частиц при помощи существующих теорий невозможно. Нужна новая революция. Необходимо идейное перевооружение.

Работа над созданием новой теории микромира активно ведется в СССР, США, Англии, Франции, Японии и других странах, но огромные математические трудности не позволяют утверждать, что она скоро кончится успехом.

Возможно, что наряду с двумя основными постоянными – скоростью света и постоянной Планка – придется ввести третью постоянную, например элементарную длину, величину, близкую к диаметру атомного ядра.

Может быть, новая теория должна быть построена на какой-нибудь более радикальной идее, которая пока еще не родилась. Несомненно, ученым предстоит еще много раз находить и ошибаться. Развитие науки беспредельно, но легких путей в ней нет. Здесь уместно сказать словами де Бройля: каждый успех наших знаний ставит больше проблем, чем решает. И в этой области каждая новая открытая земля позволяет предполагать существование еще неизвестных нам необъятных континентов.

Итак, на рубеже нашего века, на базе классической физики родилась новая физика. Это отнюдь не значило, что все ранее сделанное учеными отвергалось и заменялось иными взглядами, иными толкованиями. Так думать было бы большой ошибкой! Действительно, классическая физика, открывшая людям глаза на многие явления природы, ответившая на массу вопросов, стала в тупик перед миром больших скоростей и миром ничтожно малых частичек материи. На этой почве и возникли теория относительности и квантовая механика.

Но это вовсе не значит, что все сделанное предшествующими учеными перечеркивалось. Почти в каждой теории есть рациональное зерно, и она решает какую-то часть проблемы. Это решение и входит в основу более совершенной теории. Да, классическая физика не могла справиться с нагретым телом. Планк, введя в классическую термодинамику понятие дискретности, построил более полную теорию излучения, и призрак ультрафиолетовой смерти рассеялся сам собой. Да, классическая физика не могла объяснить явление фотоэффекта. Эйнштейн, разгадав прерывистую сущность света, объяснил его.

Конечно, квантовая теория не всесильна. Объяснив процесс излучения нагретого тела и фотоэффект, она, тем не менее, до сих пор не может справиться со многими загадками микромира. Но Эйнштейн считал это не трагичным, а вполне естественным, отражающим двойственный характер природы материи. Вот почему волновая теория света Гюйгенса, хоть она и опиралась на ложное подобие световых волн со звуковыми, не была полностью ошибочной, 3аблуждения Гюйгенса заставили Френеля искать выход из положения, и он нашел его в эфире, поперечными колебаниями которого считал свет. А так как свет – это действительно (в одной из своих сущностей) волна, то формулы Гюйгенса и Френеля верны и сегодня.

Противоречия, которые возникали в ряде случаев из их теорий, конечно, беспокоили ученых. И настал момент, когда один из них, Максвелл, понял, что свет – это не продольные гюйгенсовские волны и не френелевские поперечные волны эфира, а существующие сами по себе электромагнитные волны – волны совершенно самостоятельного электромагнитного поля. И только благодаря тому, что традиции и научное мышление обладают большой инерционностью, ученые еще долго не могли отказаться от механистического взгляда на мир. И Лорентц поневоле сделал шаг назад, привязав абстрактные максвелловские электромагнитные волны к электронам – атомам электричества. Но это был и шаг вперед, так как впервые идея атомизма была введена в электрические явления. Это имело и другие положительные последствия. Так как электромагнитное поле – это действительно и волна и частицы, то электронная теория Лорентца, ее математический аппарат помог вычислить те величины (например, показатели преломления прозрачных тел), которые чисто волновой теории Максвелла приходилось брать из опыта. Так происходит эволюция человеческих знаний: опыт поколений плюс свежий взгляд на вещи.

Спор вокруг дерзкой идеи Максвелла, желание во что бы то ни стало сохранить вездесущий эфир подготовили почву для возникновения теории относительности. И теория поперечных колебаний эфира Френеля и теория Максвелла оставляли возможность определения скорости движения тел в эфире. Это экспериментально опроверг Майкельсон. После целой серии опытов он убедился, что это невозможно. Чтобы увязать этот факт с существующими взглядами, Фицджеральд и Лорентц придумали искусственную гипотезу. Эйнштейн же не стал топтаться на месте, а сделал решительный шаг. Он допустил кощунственную мысль о том, что скорость света в пустоте всегда постоянна.

Так, исходя из этого предположения и старой теории относительности Галилея, который утверждал, что в плавно движущихся телах невозможно измерить их абсолютную скорость, если не сравнивать ее со скоростью какого-нибудь другого тела, Эйнштейн пришел к выводу о том, что при скоростях, сравнимых со скоростью света, понятия о времени, массе и размерах становятся понятиями относительными и законы физики, действующие при малых скоростях, неприемлемы при околосветовых.

Как видите, законы классической физики не отменялись, но там, где они оказывались беспомощными, рождались новые идеи, которые составили фундамент сегодняшней физики. Наиболее обновлен фундамент физики микромира. Здесь классическая физика потерпела наибольшее количество поражений. Если с макромиром она кое-как ладит, то в делах микромира она почти что не имеет права голоса. Она совершенно не в состоянии объяснить законы существования таких микротел, как элементарные частицы. На этой почве возник целый ряд теорий и методов (часто формальных), с помощью которых ученые пытаются понять строение ядра атома и микрочастиц. Окончательной теории элементарных частиц до сих пор нет. Это та область новой физики, где работы ведутся в три смены, днем и ночью.

...Ученые продолжают непрестанный скромный и титанический труд.

А пока расскажем о некоторых «безумных» идеях, о нескольких замечательных открытиях, потрясших человечество после 1927 года. Они покоятся на трех китах – квантовой теории, теории относительности и все более точном эксперименте.