Даниил Данин - Вероятностный мир
Так вот, той самой весной 25–го года, когда Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг вынашивали свои варианты механики микромира, Вольфганг Паули решился на отчаянное признание в письме к одному, еще более юному, теоретику:
«…Физика слишком трудна для меня, и я жалею, что не сделался комиком в кино или кем–нибудь в этом роде, лишь бы никогда и ничего не слышать больше о физике».
Психологически это тем неожиданней, что как раз той же весной он опубликовал историческую работу, содержавшую ключ к решению истомившей его загадки Зеемана. Десятилетие спустя после Зоммерфельда Паули нашел, наконец, новое квантовое число.
Он открыл в микромире еще одну черту квантовой прерывистости. Он догадался, что она, эта черта, свойственна не атому в целом, а каждому электрону в атоме. И он назвал ее «двузначностью электрона». Абстрактно. Без всякой модели. Без каких–либо попыток изобразить такую двузначность.
Ему важно было лишь одно: квантовые возможности микромира по меньшей мере удваивались… Лестница разрешенных уровней энергии в атоме еще усложнилась… Аномальное расщепление спектральных линий поддалось правильному описанию… А заодно и многое другое стало доступно теоретическому оправданию.
Так не открыл ли Паули новый тип вращения электрона? Это ведь казалось необходимым для квантования. Но мысль о зримом — классическом — образе для любого квантового явления была глубоко враждебна Паули. Когда Вильям Брэгг–старший пошутил, что модель Бора предложила физикам три дня в неделю следовать классическим законам, а три дня — квантовым, он хотел сказать, что логически это недопустимо. Никто не сознавал этого лучше, чем сам Бор и его ассистенты. В их числе — Паули. Но как перейти на полную квантовую неделю, никто не знал.
Не потому ли, несмотря на собственный громадный успех, достигнутый той весной, Паули все–таки написал юному коллеге, что завидует участи комика в кино? Пока он требовал изгнания из квантовой физики классических образов. Его острого критического языка побаивались другие. Он бывал неумолим. Но, как это видно, и к себе тоже.
А юный коллега, которому он адресовался тогда, — это был двадцатилетний американец Ральф Крониг, — как раз только что принял грех на душу: узнав о «двузначности электрона», он сразу же предложил для этой двузначности полуклассическую модель.
Он нашел для электрона еще одну форму вращения: на сей раз не вокруг атомного ядра, а вокруг собственной оси. Так вращаются и планеты. А провозглашенная Паули двузначность имела у Кронига тот смысл, что и это вращение квантуется: если засечь какое–нибудь положение оси электрона, то вторым возможным положением будет только прямо противоположное. Остальные запрещены. Электрон похож на странный компас, чья магнитная стрелка умеет показывать лишь юг и север, или запад и восток, или северо–запад и юго–восток… Вот и двузначность! Проделав нужные вычисления, Крониг тотчас получил верную формулу для раздвоения спектральных линий.
Однако Паули сказал, что все это — «остроумная выдумка», не более того. Модель Кронига он отверг. А потом и Бор отверг. И другие. Завязался драматический сюжет — один из самых известных в нашей хорошей истории.
Ральф Крониг, слишком юный и слишком неопытный, сдался. Он не осмелился послать свою работу в печать. Среди неодолимых возражений против его модели было очень понятное нам.
Если ось вращения электрона походила на магнитную стрелку компаса, то сам он походил на быстро крутящийся волчок. В этом еще не было беды. Но получалось, что он должен крутиться чудовищно быстро. Так быстро, что участочкам на периферии электрона — волчка с радиусом порядка 10–13см — приходилось описывать круги со сверхсветовой скоростью. А этого не дозволяла теория относительности.
Тем не менее в том же 1925 году к модели вращающегося электрона пришли, кажется, вполне независимо от Кронига, два столь же молодых голландских теоретика — С. Гоудсмит и Г. Уленбек. Они работали в Лейдене.
Там уже больше десятилетия занимал кафедру постаревшего Лоренца замечательно человечный человек — видный теоретик Пауль Эренфест. Впрочем, у нас его, выходца из Вены, называли чаще Павлом Сигизмундовичем: еще до первой мировой войны он пять лет жил и работал в России. Сердечные отношения связывали его с академиком Иоффе и многими нашими физиками. Был он близким другом Эйнштейна и Бора. В истории квантовой революции, пожалуй, никто, включая даже Вольфганга Паули и Льва Ландау, не заслужил такой доброй славы «творческого критика», как Эренфест. Суть в том, что критика его всегда бывала не только проницательной, но и доброй.
Разумеется, взбудораженные своей идеей, молодые голландцы пошли к Эренфесту. Их не остановило то, в чем позднее признался Уленбек:
— …Наш энтузиазм в значительной мере остыл, когда мы обнаружили, что скорость вращения на поверхности электрона должна во много раз превышать скорость света!
Эренфест сказал, что «это либо очень важно, либо чепуха». Он повелел юнцам написать короткое письмо в научный журнал. Они послушались — сочувствие всегда ободряет. Но потом, уже передав профессору письмо, они, как и Крониг, погрузились в обезволивающие сомнения. Через тридцать лет, в 1955 году, принимая кафедру Лоренца — Эрейфеста, Уленбек вспоминал:
— Мы с Гоудсмитом почувствовали, что, быть может, лучше пока воздержаться от публикаций, но когда мы заговорили об этом с Эренфестом, он ответил: «Я уже давно отправил ваше письмо в печать. Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость!»
В результате именно с их именами навсегда связалось введение в физику микромира нового понятия спин (буквально — «вращение»). Вместо бесплотной «двузначности электрона» оно стало названием четвертого квантового числа.
На долю Кронига достались только запоздалые сожаления, как печалился он много лет спустя. Ему не посчастливилось, что первым судьей своей идеи он выбрал автора двузначности: Паули сам был в ту пору слишком молод, чтобы поступить, как Эренфест. Максимализм молодости, а не только характера, усугублял его решительное неприятие наглядных моделей для квантовых странностей в природе. Он самому Бору, которого глубочайше почитал, дважды наговорил в том году кучу невежливостей, а все потому, что Бор начал склоняться к признанию модели Кронига—Гоудсмита—Уленбека.
Вообще–то Паули не ошибался: явление было чисто квантовым и классическому описанию не поддавалось. Оттого и возникали в модели спина невозможные сверхсветовые скорости. Но, как и образ электронов–планет на классических орбитах, условный образ электрона–волчка хорошо служил теории. И через год сам Паули вынужден был согласиться с этим— вынужден!
Теоретик и историк, да к тому же строго мыслящий математик, Ван дер Варден написал впоследствии, что «нет оснований упрекать Паули» — упрекать за то, что он обрек Кронига на сожаления. Сухо логически — оснований нет. Но наука развивается вовсе не сухо логически. Эренфест поступил рискованней и человечней. И в конце–то концов оказался более правым перед лицом истории физики.
С другой стороны, Паули и сам в ту пору заслуживал сочувствия, разве не так?
За три года до тех событий, он — двадцатидвухлетний — был приглашен Нильсом Бором поработать в Копенгагене. Свидетели запомнили, как с великолепно небрежной самоуверенностью этот не по возрасту располневший рыцарь чистоты теории ответил Бору:
— С физикой трудностей у меня не будет, а вот что меня действительно страшит, это — датский язык!
А теперь самоуничижительные слова: «…физика слишком трудна для меня»! И объяснение Кронигу, почему трудна: «Физика теперь снова загнана в тупик…»
Снова? А когда же это бывало прежде? Да ведь в точности те же слова, нам уже хорошо знакомые, произнес Лоренц на 1–м конгрессе Сольвея в 1911 году — накануне создания теории Бора. А до того те же чувства испытывал Эйнштейн — накануне создания теории относительности. А еще раньше Планк — накануне создания теории квантов. А до того…
«Я бы не удивился, если бы узнал, что аналогичные настроения преобладали в период, предшествовавший появлению механики Ньютона».
Рассказывая о своих злоключениях в истории вращающегося электрона, эти слова написал Ральф Крониг. А был тогда, весной 25–го года, канун появления механики микромира. Все повторялось с регулярностью психологического закона.
7
Долечиваясь весною в тихой горной Арозе, а летом и осенью сиживая в купальне на Цюрихском озере, Эрвин Шредингер избегал всяких отвлечений — даже научных — от поисков механики волн материи. Он ничего не знал о рождении нового квантового числа.
И был наказан за свою неосведомленность. Однако же весьма необычным образом…
..Когда Бор спасал планетарную модель, он шел по совету Резерфорда от простейшего атома — водородного. И Шредингер, отыскивая механику дебройлевских волн, поступил точно так же.
