Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 17 страниц)

Глава 3
Кентавры атомного мира

Теория на перепутье

«Победителей не судят!» – гласит старая поговорка. В науку она, однако, доступа не имеет. Еще как пристрастно судят! Пока не обоснован каждый шаг ученого в его сражении с природой, победа не засчитывается.

Но изредка бывает и иначе. Подозрительные ученые, косясь на ничем не обоснованную теорию, все же начинают потихоньку применять ее. Все-таки что-то лучше, чем ничего! Первый успех, второй успех!

И прежняя недоверчивость исчезает: теория «работает». Она никак не обоснована? Это ничего, «работает», значит, в общем, верна. А обоснование все равно когда-нибудь придет!

Так случилось с теорией квантов Планка. Тринадцать лет ждали кванты энергии, пока Бор так естественно не объяснил их, как неизбежное следствие электронных прыжков на атомных орбитах. Но само это объяснение, как и запрет электрону излучать, находясь на одной орбите, требовало обоснований. А обосновать их Бор не мог.

Теория Бора никак не вытекала из старой физики. Избранные орбиты электронов в атоме вместо любых, дозволяемых старой физикой. Какие-то прыжки с орбиты на орбиту вместо плавного, непрерывного перехода. Да тут и не пахнет старыми, привычными представлениями. Не пахнет? А вот вдумчивые ученые учуяли. Нам придется придержать разговор об этом до следующих страниц: неопределенное чувство половинчатости теории Бора удалось воплотить в четкие формулы лишь спустя десять лет после ее появления.

А пока что эта теория работала, и работала замечательно. Измеряя энергии атомных квантов, удалось многое узнать о состояниях электронов в атоме. Стали выясняться многие закономерности оптических, тепловых, электрических, магнитных свойств вещества. Возникла квантовая химия, основы которой вошли сегодня во все школьные учебники.

И с развитием теории Бора все чаще стали замечаться ее слабости.

Бурный поток, разливаясь по равнине, обнажает подводные камни. Как ни удивительно, одним из таких подводных камней для теории Бора оказались те самые спектры, происхождение которых она столь блестяще объяснила.

Физика – наука точная. Она не удовлетворяется одним объяснением – ей подавай точный расчет. Вот, например, спектр излучения атома. Его линии характеризуются двумя величинами – частотой, или длиной волны, и интенсивностью, или яркостью.

Длины волн спектральных линий теория Бора рассчитывать позволяет. Это ее успех. А вот как быть с расчетом интенсивностей? На этот счет теория не дает никаких указаний. Более того, из нее вообще не вытекает, что спектральные линии могут иметь разные яркости.

В самом деле, если электрон набрал достаточную энергию, то он может совершать между орбитами как длинные прыжки назад, в которых расходуется вся эта энергия, так и короткие, в которых освобождается только ее часть. Ничто не запрещает электрону совершать длинные прыжки столь же часто, как и короткие.

Электрон, заброшенный на далекую от ядра орбиту, может вернуться на исходную орбиту не обязательно за один прием. Тогда вместо одного кванта высокой частоты (или энергии) возникнет несколько квантов с меньшими частотами. И ниоткуда не следует, что электрон должен предпочитать возвращение домой на экспрессе путешествию с пересадками на промежуточных станциях, и наоборот.

А вот на зависть теории Бора ее поверженная предшественница – старая физика – рассчитывать интенсивности спектров умеет. Правда, ей доступны только непрерывные спектры. Вспомним, что она, в свою очередь, даже и помыслить не может об объяснении рождения отдельных линий.

Итак, одна теория умеет одно, другая – другое. Бору приходит в голову мысль сопрячь обе теории вместе.

Время новых шагов

Как это сделать? И тут Бор замечает, что расположение электронных орбит в атоме следует очень удобному для этой цели порядку. По мере удаления от ядра те орбиты, на которых его теория позволяет находиться электронам, все более сближаются друг с другом.

Лесенка энергий, которыми могут в атоме обладать электроны, имеет ступеньки неодинаковой высоты. По мере подъема по лесенке ее ступеньки укорачиваются. Она выглядит так, как прислоненная к стене дома обыкновенная лестница, если смотреть на нее снизу. Далекие ступеньки для глаза совершенно сливаются. Но здесь это иллюзия зрения, а в атоме такое происходит наяву.

Все более сближающиеся ступеньки – значит, все меньшие энергии квантов, отвечающих прыжкам электронов между, этими ступеньками. Длинноволновый или низкочастотный участок любого атомного спектра должен сильно походить на непрерывный спектр. А в идеале, если бы ступеньки лесенки энергий совсем слились друг с другом, это сходство превратилось бы в тождество.

Вот здесь и надо сделать мостик для соединения обеих теорий! А перейдя по нему с классической стороны на квантовую, распространить получившийся результат на атомные спектры, спуститься вниз по лесенке.

Что ж, изящный прием! К сожалению, однако, быстро выясняется, что он не так уж хорош. Иногда расчет квантового спектра по «классике» согласуется с наблюдаемыми на опыте яркостями линий, а чаще – нет. Почему так происходит, ни одна из обеих теорий, подвергнутых Бором гибридизации, объяснить не может. Гибрид оказывается на вид соблазнительнее, чем на вкус.

Да и само его появление – это как бы расписка теории Бора в ее слабости. Грешно выбрасывать классическую физику с парадного входа, чтобы затем потихоньку впускать ее с черного входа. Грешно, как насмешливо говорил английский физик Брэгг, по понедельникам, средам и пятницам исповедовать квантовую религию, а по вторникам, четвергам и субботам – классическую.

Все яснее становилась физикам необходимость в более сильной, более последовательной теории атома. Пришло время новых шагов. И вскоре они были сделаны.

Первый из них принадлежит Луи де-Бройлю.

«Волна-пилот»

В сентябрьском номере журнала «Физическое обозрение» за 1924 год появилась удивительная статья. В ней коротко излагалась диссертация молодого французского физика Луи де-Бройля о волнах материи.

Волны материи? Разве это не упругие, звуковые и электромагнитные волны, в материальности которых физикам того времени не приходило в голову сомневаться? А раз так, то зачем столь громко названа статья? Ученые не без оснований полагают, что по тому времени эти волны в целом изучены достаточно хорошо.

Оказывается, однако, что статья де-Бройля касается совершенно иного вида волн. Автор уверяет, что эти волны сопутствуют движению любого тела, любой его частицы, что эти волны должны проявляться при любом движении, даже в абсолютной пустоте.

Тут что-то новое. Упругие и звуковые волны распространяются только в вещественной среде. В пустоте они наблюдаться не могут. С другой стороны, электромагнитные волны такой среды не требуют, но могут возникать при движении только электрически заряженных тел или частиц. Будущим космонавтам, наверное, не раз представится возможность наблюдать на далеких планетах извержение вулканов, происходящее в совершенном безмолвии. Только трясется земля под ногами!

Итак, что это за волны материи, как они сопровождают движения тел, как они выглядят? И почему до сих пор никто их не видел?

Скептики с улыбкой иронизируют над неведомыми волнами, другие задают нетерпеливые вопросы. И вот как на них отвечает де-Бройль.

…На Тихом океане широко распространен интересный спорт. Он требует умения и ловкости, и тем, кто овладел им, доставляет огромное удовольствие. Это катание на доске по волнам. В океан выходит катер. Спортсмен переходит с него на широкую нетонущую доску и дожидается приближения высокого вала. Оседлав этот вал, смельчак несется на нем к берегу со скоростью курьерского поезда. Но одно неосторожное движение, и спортсмен соскальзывает с гребня, а вода захлестывает его с головой. Океанская волна ведет, как бы пилотирует спортсмена.

Вот так, в виде «волны-пилота», и представляет себе де-Бройль волну материи. Сидит частица в собственной волне, словно пассажир, и движется туда, куда влечет волна.

Следующий вопрос: как частица образует свою волну? Выделяет ее, что ли? На этот вопрос де-Бройль ничего ответить не может. Единственное, в чем он уверен, это то, что волна материи неразрывно и навечно связана с каждой частицей. Электромагнитная волна может оторваться от своего источника и уйти в мировое пространство. Для волн материи это невозможно.

Наконец, задается еще один вопрос: почему до сих пор никто не замечал этих удивительных волн, если даже они существуют? Что ж, для ответа нужно узнать, какова их длина. Самые длинные электромагнитные волны, которые еще можно измерить, имеют длины волн в сотни и тысячи километров. Самые короткие – гамма-лучи – имеют длины в миллиардные и триллионные доли сантиметра.

Так неужели в этом широчайшем диапазоне не удалось бы обнаружить волн де-Бройля, если бы они существовали? «Можно и не обнаружить», – говорит де-Бройль. Он производит подсчет по предложенной им формуле.

Какое движение вы хотите взять? Движение Земли по своей орбите вокруг Солнца? Пожалуйста: длина волны материи, сопутствующей этому движению, имеет величину порядка 10^–55 сантиметра. Величина сверхничтожно малая! Никакими приборами зарегистрировать ее нечего и надеяться. Чтобы почувствовать малость такой длины, не помогут никакие сравнения. Достаточно сказать, что размеры атомного ядра меньше размеров видимой Вселенной «всего лишь» в 10^–39 раз.

Возьмем в таком случае предмет гораздо более легкий и движущийся с небольшой скоростью, например, камешек, брошенный рукой. Пожалуйста: сопровождающая его волна материи имеет длину порядка 10^–30 сантиметра. Положение по-прежнему совершенно неутешительное!

Выходит, надо де-Бройлю поверить на слово: никакими приборами его волн материи не обнаружить? Нет, мысль де-Бройля можно проверить. Но для этого надо взять самую легкую частицу в природе – электрон. Если его разогнать в электрическом поле с напряжением в 1 вольт (то есть до энергии 1 электрон-вольт), то электрон приобретет довольно солидную скорость. Длина его де-бройлевской волны окажется в пределах 10^–7–10^–8 сантиметра. Это область длин волн рентгеновых лучей.

Итак, по крайней мере в принципе, волны материи можно было бы пытаться обнаружить.

Успех

Но одной принципиальной возможности мало. Ведь волны материи отличаются от всех других известных волн. Чем же их обнаруживать? Глаз воспринимает электромагнитные волны, ухо – звуковые. Все существующие приборы лишь расширяют границы наших органов чувств, но отзываются тоже только на эти виды волн. Волны де-Бройля же ни око не видит, ни ухо не слышит, ни зуб неймет!

А все-таки это волны. Должно найтись какое-нибудь явление, в котором волны материи проявят себя, если они существуют на самом деле. И даже не одно явление.

Например, физики давно пользуются в качестве пробного камня для волн явлением дифракции. Волна, наталкиваясь на своем пути на препятствия, как бы обтекает их и снова смыкается позади них. Но если, например, интенсивность волны до препятствия была по всему фронту одинакова, то за препятствием ее распределение принимает «полосатый» вид. В одних участках волна усиливается, в других – ослабляется. Ровная световая волна, пройдя мимо круглого экрана или через круглое отверстие малого размера, дает изображение в виде чередующихся темных и светлых колец.

Итак, волну материи будут ловить на дифракции. Какие препятствия для нее выбрать? Можно те же, с помощью которых совсем не так давно была открыта дифракция рентгеновых лучей, – атомы кристаллов. Только электроны, в отличие от рентгеновых лучей, в кристаллах очень сильно поглощаются. Поэтому надо работать, как говорят физики, не на просвет, а на отражение. То есть вести наблюдение по ту же сторону кристалла, где располагается источник электронов.

Наконец все додумано. Через три года после появления статьи де-Бройля ставится первый опыт по поимке волн материи. Пучок электронов из раскаленной металлической нити, оформленный диафрагмой, посылается на грань кристалла, отражается от нее и направляется на фотопластинку. Если нет никаких электронных волн, то на пластинке должен получиться четкий контур диафрагмы.

И вот экспозиция закончена. Фотопластинку уносят в темную комнату и кладут в проявитель. Медленно тянутся секунды, медленно проступают контуры снимка. Нетерпеливые исследователи, не дожидаясь конца проявления, извлекают пластинку из воды, подносят к свету…

Есть! Есть дифракционные кольца!

Слабенькие, еле заметные, они бесконечно радуют ученых. Как бесценное сокровище, пересылают эти первые фотопластинки с записью волн материи в крупнейшие физические лаборатории мира. Их придирчиво, внимательно изучают, но сомнений больше нет. Электроны оставили на фотопластинке следы волн.

Поразительно смелая мысль де-Бройля о волнах материи получает блестящее подтверждение.

Слева вы видите рентгенограмму, полученную на образце, состоящем из множества мелких кристалликов. Справа – картина дифракции электронов от подобного вещества. Она называется электронограммой. Такие снимки наряду с рентгенограммами служат для изучения строения кристаллов. Именно электронограмма убедила физиков в существовании электронных волн де-Бройля.

…Открытие волн материи завершает не только историю одной смелой мысли. Оно завершает целую эпоху в физике и открывает в ней новую, еще более глубокую и богатую современную эпоху.

Испокон веку физика различала два не сводимых друг к другу, два в корне различных движения – движение частиц и распространение волн. И законы этих движений были совершенно различными.

Частицы не могут проникать одна в другую, не могут сами по себе перераспределять свои потоки, отклоняться самопроизвольно от прямых путей. Совсем не то – волны: они могут накладываться друг на друга, перераспределять свои интенсивности – интерферировать, искривлять свои пути, заходя в тень за препятствием, – дифрагировать. Частицы имеют определенные размеры, свои границы. Идеальные же волны, которые мы рисуем в виде синусоид, не имеют ни начала, ни конца в пространстве и времени.

Но вот несоединимому предстояло соединиться. И еще задолго до гипотезы де-Бройля. Виновник этого соединения – свет. А непосредственный исполнитель, как мы помним, Альберт Эйнштейн: он вводит фотон.

Фотон – это частица света, обладающая свойствами волны. Фотон – это электромагнитная волна, обладающая свойствами частицы. Так в физике появилась первая двуликая сущность.

Каким ликом обернется фотон, зависит от явления, в котором он принимает участие. В одних явлениях, скажем, в дифракции, он выказывает волновую сущность. В других, например, в фотоэффекте, он обнаруживает сущность частиц.

Де-Бройль открывает, что подобная двуликость – удел не только света, но вообще всех частиц вещества. Мир атомов оказывается двуликим везде и во всем.

«Волна-пилот» – пережиток старины?

Старое живуче. Классическая физика прокрадывается в теорию Бора и «портит» ее достижения. Она же проникает и в теорию де-Бройля.

Как связаны свойства волны и свойства частицы? Де-Бройль высказывает мысль о «волне-пилоте». Но что это, как не механическое сочетание волны и частицы? Под таким сочетанием, несмотря на всю его необычность, классическая физика может охотно подписаться.

Действительно, этот образ составлен из двух обычных классических представлений – частицы и волны. То, что эти представления скомпонованы не классически, ничего, в сущности, не меняет.

Де-Бройль и сам это сознает. Надо отдать предпочтение чему-то одному, нашептывает старая привычка в часы долгих раздумий. И де-Бройль решается выбросить из игры частицу. Частицы, как таковой, не существует, заявляет он. Частица – это образование из волн материи, «волновой пакет», как говорят физики.

Так, в виде «подушки», составленной из волн, физики и представляют себе волновой пакет. Видно, что высота волн быстро уменьшается по мере удаления от середины пакета. Это и позволяет говорить о том, что пакет компактен.

Чем-то он напоминает ударную волну. Такая волна, оставаясь волной, может высаживать стекла не хуже, чем удар снаряда, она компактна. Образно говоря, волна материи – какое-то цунами микромира. То самое цунами, что в открытом море лишь качает корабли, а на берегу производит страшные разрушения.

Поначалу этому предположению не отказывают в убедительности. Но уже спустя короткое время математический расчет выносит ей строгий приговор. Оказывается, волновые пакеты, даже в абсолютной пустоте, должны очень быстро расплываться, словно дымовые кольца в воздухе. Даже если долю секунды назад вот здесь была частица – «пакет», то теперь ее уже нет: она размазалась по пространству, как кусок масла, опущенный в кипяток. Однако наука не стоит на месте, безучастно наблюдая, как де-Бройль тщетно пытается наделить голую мысль плотью и кровью. Не проходит и года, как идея де-Бройля дает ростки в целом ряде физических центров мира.

В 1925 году профессор Геттингенского университета в Германии Макс Борн высказывает мысль, что волна де-Бройля – это «волна вероятности». Она определяет вероятность того, что электрон, отразившись от кристалла, попадает в данное место фотопластинки. Она вообще определяет вероятности любых событий, происходящих с электронами и с другими частицами в мире атомов.

Но события не с каждым электроном в отдельности, а с очень большими их группами. Иными словами, волна материи определяет некий статистический закон поведения электронов.

Так ли это? В жизни мы наблюдаем множество статистических закономерностей. Они описывают результаты большого числа одинаковых явлений. При этом несущественно, тысячу раз повторяется явление с одним предметом, или же тысяча предметов один раз демонстрирует это явление.

Можно выпустить тысячу одинаковых пуль по одной мишени одновременно, а можно произвести по той же мишени тысячу выстрелов подряд. Так или иначе, результат окажется почти совершенно одинаковым.

Этот результат состоит в том, что пулевые пробоины распределятся на мишени по вполне определенному закону. Если нет ветра, если пули во всем одинаковы, если у идеального стрелка не дрожит рука, то все пули лягут в десятку. Но, конечно, всегда есть слабые потоки воздуха, две пули всегда в чем-то слегка различны, рука стрелка всегда совершает мелкие непроизвольные движения, которые невозможно точно учесть, столь они случайны. И пули попадут на мишень по закону распределения случайностей.

Этот закон можно изобразить на рисунке. Для этого по одной оси графика надо отложить расстояние от центра мишени до пробоин, а по другой – соответствующие числа пробоин.

На левом рисунке изображена обычная стрелковая мишень. Если сосчитать число пробоин между окружностями на мишени и отложить эти числа на графике в зависимости от номера окружности, то получится лесенка. Если ее сгладить, то тогда на графике появится кривая Гаусса. На правом рисунке показано, что получилось бы, вздумай мы стрелять по такой мишени электронами. Можно увидеть сразу две интересные особенности. Во-первых, электронные пробоины вышли за заштрихованный контур диафрагмы (она как бы дуло электронного ружья). А во-вторых, показанная внизу кривая не похожа на Гауссову – она спадает волнообразно.

Взгляните на полученный график.

И сравните его с другим. Это график электронного «стрелка». Он получится, если подсчитать так же, как и выше, число электронных «пробоин» на фотопленке. Графики похожи только в одном: кривые спадают по мере удаления от центра. Но вместо монотонного спадания кривой «случайностей» электронная кривая спадает волнообразно.

Вот эту-то волну Борн и предложил считать волной де-Бройля.

Как? Эта «бумажная» волна и есть то, что гордо названо волной материи?

Да, говорит Борн. Волновые свойства электрона должны проявляться тоньше, чем это мыслилось де-Бройлю. Волна теперь «ведет» частицу лишь в том смысле, что электрон взаимодействует с атомами кристалла по «волновому» закону (он и изображен на рисунке).

А этот закон уже дает волновую дифракционную картину электронов на фотопластинке.

Конечно, все это гораздо сложнее, чем вначале полагал де-Бройль. Но волновая картина проявляется на фотопластинке не сразу. Если бросить на кристалл какой-нибудь десяток электронов и затем обработать снимок, то на графике их попаданий никакой закономерности обнаружить не удается.

Что ж, нечего удивляться. Обычная мишень с десятком пулевых пробоин также не позволила бы прийти к закону «случайностей». И тот, и другой – законы статистические, они проявляются тем четче, чем больше число одинаковых явлений.

Все же на нашем снимке можно обнаружить любопытное обстоятельство. Казалось бы, электроны могут попадать лишь в те точки фотопластинки, которые не заходят в «тень» от диафрагмы, поставленной на пути пучка электронов. Вот она заштрихована на рисунке. Однако мы видим, что электроны все же заходят в «запретную» область.

Это очень существенно! Отсюда немедленно следует, что движение электронов подчиняется не старому классическому, а волновому закону. Классический электрон ни в коем случае не нарушил бы строгого запрета и не вышел бы за пределы, очерченные контуром диафрагмы на фотопластинке.

А вот волновой закон, как оказывается, разрешает электрону выходить за эти рамки. Но, правда, с небольшой вероятностью. Однако, какова бы ни была эта вероятность, если только она не равна нулю, то не этот, так другой электрон рано или поздно использует ее.

Это означает, что и сам электрон обладает какими-то необычными, с точки зрения старой физики, свойствами. Свойства эти таковы, что в массе распределение электронов в описываемом явлении оказывается волнообразным.

Что же это за свойства? О них опять же придется отложить разговор. К ним науке тех лет предстоит еще долгий путь.

Единственное, о чем сейчас можно сказать, это то, что новые свойства электрона не позволяют говорить о точном законе движения данного, выбранного для наблюдения электрона. Они не позволяют заранее точно предсказать, в какое место фотопластинки попадет данный электрон. Это можно указать лишь с некоторой степенью вероятности.

Например, в темные кольца на снимке электрон попадает с большей вероятностью, чем в светлые. Эту вероятность новая теория позволяет подсчитать. И при большом числе «попаданий» расчет действительно отлично согласуется с опытом.

Итак, вероятностный закон вместо точного закона классической физики. Не назад ли пошла физика, вместо того, чтобы двигаться вперед?

Вероятное – точнее точного

Нет, недоуменный вопрос не имеет под собой почвы. Если уж говорить об этом, то те «точные» предсказания, которыми старая физика пыталась описывать движение электронов и других микрочастиц, были не более чем миражем.

Классическая физика самонадеянно считала, что она может описать любое явление, любое движение любой частицы в любых условиях. Задай только положение и скорость частицы в некий момент времени и действующие на нее силы, и можно будет сказать все о движении частицы в последующие моменты времени, хоть через миллион лет.

И ученые верили этому без малейшего сомнения. Но с горы видно дальше, чем с холма. «Невежество» классической физики незамедлительно выявилось, как только ученые поднялись на горы теории относительности и теории квантов. Спору нет, «старушка» отлично работает в привычном нам мире больших вещей, движущихся с небольшими скоростями. Но пусть она лучше не суется в мир атомов, мир сверхмалых частиц. Там ее «точные» предсказания – часто попадания пальцем в небо.

«Волны вероятности», вероятностные законы движения сверхмалых частиц – законы куда более точные, чем классические законы в этих масштабах мира. Нет, это не отступление физики, а гигантский скачок вперед!

Но все-таки, что ни говори, а хотелось бы иметь в руках точный закон движения каждой частицы, каждого электрона. Увы, это в нас еще говорит явно устаревшее желание все увидеть, все пощупать. Даже если чего-либо нельзя, и принципиально нельзя ни увидеть, ни пощупать.

Мы живем в «классическом» мире. Все наши образы, представления, все наши мысли в конечном счете черпаются из него.

В том-то и состоит великий подвиг физиков современности, что они первыми создали совершенно необычные представления. Что они организовали у себя в головах новый мир – отражение того мира, что скрыт в глубинах вещей, и сумели путешествовать и открывать новые земли в этом мире.

Последуем за ними в этом необычайном путешествии.

Слон и муравей

Уже позади время первых робких попыток проникнуть в новый, атомный мир. Теперь, к середине двадцатых годов нашего века, существует квантовая механика. Попытки отдельных смельчаков мысли сменяются большими, хорошо оснащенными экспедициями целых научных коллективов.

Появляются тончайшие, фантастически чувствительные физические приборы. О таких приборах и мечтать не могли ученые каких-нибудь полвека назад. В распоряжение физиков поступают счетчики частиц, камеры, снабженные стереофотоаппаратами, толстые слои фотоэмульсий, богатая радиотехническая аппаратура.

Но, вступая в незнакомый мир, прежде всего надо посмотреть, как в нем будут вести себя измерительные приборы, не будут ли они давать неточных показаний, а то и попросту врать.

Наука того времени знает уже немало сенсационных «открытий», родившихся из ошибочных показаний приборов, или, что еще хуже, из неверного истолкования результатов измерений.

Оправданы ли подобные опасения теперешних путешественников? Для этого, видимо, есть основания. Любой, даже самый крошечный прибор должен вести себя в мире атомов, как слон в муравейнике. Слишком несоизмеримы масштабы двух миров: того, в котором проводят измерения, и того, который хотят измерить.

Но одних догадок мало. Нужен еще убедительный ход мысли, заканчивающийся точным расчетом. Этот расчет выполняет в 1927 году один из зачинателей квантовой механики немецкий физик Вернер Гейзенберг.

Послушаем, что он говорит. И представим это в виде беседы ученого с измерительным прибором. Пусть нас не смущает то, что такую сценку не поставят на подмостках театра: уж очень она похожа на знаменитый чеховский «Разговор человека с собакой». На самом же деле – это мысленный диалог ученого.

Ученый (прибору). Вот тебе задание. Пристройся к опыту по дифракции электронов на кристалле. Там электрон почему-то отказывается подчиняться старым классическим законам. Выбери себе электрон, измерь траекторию его полета и определи, так ли это.

Прибор (возвращаясь). Я сходил посоветоваться к старичку микроскопу. Ведь перед ним ставятся подобные задачи. Правда, не на электронах, а на бактериях, пылинках: они гораздо крупнее. Но все равно, сказал он мне, законы наблюдения общие. Чтобы увидеть какой-либо предмет, его надо осветить. В кромешной тьме ничего не увидишь. Да еще надо знать, чем освещать.

Ученый. Правильно. Длина волн для освещения должна быть по крайней мере того же порядка, что и размеры наблюдаемого предмета. Тогда можно будет увидеть его изображение. А чтобы получить совсем четкое изображение, надо взять свет с еще меньшей длиной волны.

Прибор. Вот-вот. Микроскоп и сказал мне, что в этом его трагедия. Он может использовать только видимый свет, самые короткие волны в котором имеют длину около трети микрона. А, скажем, вирусы в десятки раз меньших размеров он вовсе не в состоянии увидеть. «Вам, молодым, дорога, – сказал он мне. – Я уже свое отслужил. В атомном мире, говорит, делать мне нечего».

Ученый. Действительно, он прав.

Прибор. А какой размер электрона?

Ученый. Точно не известно. Лет двадцать назад подсчитали по классической физике и получили что-то вроде десятитриллионных долей сантиметра.

Прибор. Ого! Еще в миллиард раз меньше, чем размеры микробов! Чем же его освещать? О свете и речи нет. Даже рентгеновы лучи и те безнадежно длинны.

Ученый. А ты возьми еще более короткие – гамма-лучи. Правда, у известных мне сейчас гамма-лучей длина волны все еще несколько больше размеров электрона. Ну ничего, получи хоть нечеткое изображение, и того достаточно. Итак, действуй.

Прибор (удаляется и возвращается некоторое время спустя). Послушайте, у меня ничего не вышло! Нашел я себе электрон, осветил его гамма-фотоном и попробовал определить его движение. Не тут-то было: электрон исчез! Второй раз попробовал – и опять та же незадача. Так ничего и не определил.

Ученый. Извини. Я поручил тебе невыполнимую задачу. Пока ты пытался что-то измерить, я раздумывал. Вот смотри.

Зачем ты берешь гамма-лучи? Чтобы определить положение электрона с достаточной точностью, скажем, порядка его собственных размеров.

Но когда ты бросаешь гамма-фотоны на электрон, то это смахивает на стрельбу из пушек по летящим воробьям! Да-да, не удивляйся. Давай подсчитаем импульс нашего электрона, то есть произведение его массы на скорость полета. Возьмем для наглядности очень быстро летящий электрон, скажем, со скоростью 100 000 километров в секунду. Тогда получим, что импульс электрона – что-то около 10^–17 граммов на сантиметр в секунду. А для наших с тобой гамма-фотонов импульс в добрую тысячу раз больше.

Действительно, из пушки мощным снарядом по ничтожному воробью. Стоит ли удивляться, что такой зверь – фотон – начисто смел электрон со своего пути!

Прибор. Понимаю. Но как же быть? Я могу взять не такие могучие фотоны. Скажем, такие, чтобы их импульс был меньше, чем у нашего электрона.

Ученый. Можешь. Но подумай, какая длина волны отвечает этим фотонам? Ведь чем меньше импульс фотона, тем больше его длина. В твоем случае – не много, не мало, как в десятки тысяч раз больше размеров электрона! Теперь ты незначительно повлияешь на движение электрона, сможешь даже более или менее точно определить его скорость. Но положение, траектория электрона останутся для тебя полной загадкой.

Прибор. А микроскоп еще говорил: молодым дорога. Выходит, что я еще беспомощнее, чем он! Может быть, есть все-таки какой-нибудь выход?

Соотношение неопределенностей

Ученый Вернер Гейзенберг говорит: выхода нет. Любой прибор слишком груб в мире сверхмалых частиц, слишком неуклюже и сильно вмешивается в явления, протекающие в этом мире.

А Нильс Бор, поразмыслив, обобщает это высказывание. Он утверждает, что с помощью любых приборов мы с достаточной точностью в каждом из опытов можем узнать только об одной стороне атомного мира. Конкретнее: в каждом опыте можно определить, например, либо только местоположение, либо только скорость электрона. Положение и скорость электрона оказываются как бы исключающими и дополняющими друг друга величинами. Дополняющими до того полного описания, которое дает (конечно, куда более крупным предметам) старая классическая физика.