Даниил Данин - Вероятностный мир
Летом 25–го года, когда волновой механики еще не существовало, а матричная только–только появилась на свет, два геттингенских теоретика пошли на поклон к великому Давиду Гильберту — признанному главе тамошних математиков. Бедствуя с матрицами, они захотели попросить помощи у мирового авторитета. Гильберт выслушал их и сказал в ответ нечто в высшей степени знаменательное: всякий раз, когда ему доводилось иметь дело с этими квадратными таблицами, они появлялись в расчетах, «как своего рода побочный продукт» при решении волновых уравнений.
— Так что, если вы поищите волновое уравнение, которое приводит к таким матрицам, вам, вероятно, удастся легче справляться с ними.
По рассказу американца Эдварда Кондона, то были Макс Борн и Вернер Гейзенберг. А заканчивается этот рассказ так:
«Оба теоретика решили, что услышали глупейший совет, ибо Гильберт просто не понял, о чем шла речь. Зато Гильберт потом с наслажденьем смеялся, показывая им, что они могли бы открыть шредингеровскую волновую механику на шесть месяцев раньше ее автора, если бы повнимательней отнеслись к его, гильбертовым, словам».
Вот когда шекспировская Селия могла в очередной раз воскликнуть: «Удивительнейшим образом удивительно!»
Трудно было бы найти лучшую демонстрацию слепоты односторонности. И одновременно — правдивости классически невозможного образа волн–частиц. Гора перед глазами двух альпинистов была единой. Иначе лишь одна из двух механик оказалась бы истинной — либо матричная, либо волновая. А теперь они естественно объединились, или, лучше, воссоединились под общим именем: квантовая механика микромира.
Можно было бы ожидать, что противоборство тех исходных идей придет к завершению. Но нет, страсти вовсе не улеглись. Через четверть века с лишним, уже в 50–х годах, Луи де Бройль однажды сказал, вспоминая не знавшее штилей бурное течение нашей хорошей истории:
«Наиболее драматическим событием современной микрофизики было, как известно, открытие двойственности — волна–частица».
«Как известно!» Ветераны квантовой революции познали это на собственном опыте, тоже двойственном — в одно и то же время мучительном и счастливом.
Глава шестая. Путь к вершине.
1
Итак, искомая механика была построена в двух вариантах.
Оба исправно работали, в равной степени обеспечивали согласие с экспериментом. И согласие это бывало столь изумительным, что знаменитый Энрико Ферми, будущий создатель первого атомного реактора, соединявший в себе гении теоретика и экспериментатора, уверял студентов: «Нет необходимости согласовываться так хорошо!»
Ровесник Гейзенберга, итальянец Энрико Ферми сам внес неоценимый вклад в развитие квантовых идей. А вспомнил его восклицание в своей книге «Наука и удивительное» видный теоретик следующего поколения, выходец из Австрии, Виктор Вайскопф — ровесник Льва Ландау, под чьим началом он одно время работал в Советском Союзе. Можно довериться «длинному Вики», как называли Вайскопфа в Копенгагене, когда он в свой черед воскликнул по поводу механики микромира: «Фантастическое открытие!»
В 1926 году оставалось —
— 12 лет до раскрытия первого источника ядерной энергии в реакции деления урана (Германия, 1938),
— 19 лет до испытания первой атомной бомбы на исходе второй мировой войны (США, 1945),
— 28 лет до создания в мирные годы первой атомной электростанции (СССР, 1954).
Из тишины лабораторий и негромкого шума академических дискуссий атомный век шагнул в историю человечества. И его приход, ужасающий и великолепный, озарился в сознании людей двойственным светом великих трагедий и великих надежд. Точно на роду была написана квантовой физике двойственность всех рангов — от микромасштабов глубин материи до макромасштабов истории землян. Никогда еще ни одно фантастическое открытие в чистой и бескорыстной теории не отзывалось так скоро и таким громким эхом, как возникновение дважды непонятной механики микромира в середине 20–х годов…
Да, была она на первых порах дважды непонятной. В обоих ее вариантах физиков встречала за порогом еще не рассеявшаяся тьма.
В волновой механике это была неразгаданность шредиигеровских пси–волн. В матричной механике—неразгаданность матричного умножения. Только математически все обстояло благополучно, а физический смысл того и другого пребывал нерасшифрованным или спорным.
«Нужно указать, что развитие математического аппарата квантовой механики предшествовало физическому пониманию атомной физики».
На это счел нужным указать Вернер Гейзенберг, когда впервые читал лекции за океаном. Легко вообразить недоверчивое смущение американских студентов: сам ход преподавания во всех дисциплинах всегда внушал мысль о другой очередности — сперва суть, а потом форма. Но в этой новейшей дисциплине все поразительным образом было не как всегда — все навыворот!
2
Мечта Эрвина Шредингера — слепить из пси–волн частицы — развеялась быстро. Хотя формулы волновой механики работали безотказно, его собственное истолкование этих формул, как выразился Макс Борн, «не могло выстоять». Все оттого, что не могли выстоять волновые пакеты — они расползались.
Однако нашелся один случай, когда и математически, и физически получалась дорогая сердцу Шредингера картина: в особо простых обстоятельствах волновой пакет мог двигаться по прямой линии, действительно устойчиво сохраняясь.
Но то был совсем не типичный — очень частный — случай. И между прочим, доказать его исключительность постарался Гейзенберг. Наверное, он испытал немалое удовлетворение, если не удовольствие, когда нанес этот удар по волновым иллюзиям. А Шредингер такие иллюзии на том и основывал, что вот ведь реален случай, когда волны создают подобие частицы. Он надеялся, что с развитием теории исключительное обернется всеобщим и мечта его сбудется.
…В отличие от электромагнитных волн математические пси–волны не могли бы произвести никакого физического действия: в них не содержалось энергии–массы. Они не были порождением силового поля. С их помощью нельзя было бы передавать информацию на расстояние. Никто не сумел бы изобрести излучающей пси–станции или принимающей пси–антенны. Ну разве что фантаст осмелился бы на такое изобретение, рискнув стать ненаучным.
Так и хочется спросить: если они бесплотны, то зачем заботиться об их физическом смысле?
Но разве не бесплотны классические орбиты планет или траектории капелек дождя? Там, где только что побывали планета или капелька, их плоти уже нет, да зато последовательность этих бесплотных «нет» прорисовывает в пространстве линию механического поведения планеты или дождинки. Закономерную линию! И потому физического смысла тут хоть отбавляй .
У волн–частиц классических линий поведения обнаружить нельзя. Этому мешает их двойственная природа. Допустим, можно сказать про электрон–частицу, что в данный момент он находится здесь и только «здесь». Но как сказать это же про электрон–волну? Волна не локализована в одном каком–нибудь месте: она и «здесь» и «там» одновременно.
Неспроста наше классически воспитанное и классически ограниченное воображение отказывается зримо представить себе движение микрокентавров. Глубины материи — это мир утраченных траекторий!
Однако что–то должно было стать на их место, поскольку движение–то не исчезает?
Трудно было расставаться с наглядностью. Создателям новой картины природы это было столь же трудно, как и нам. И даже труднее, поскольку на нас — никакой ответственности, а на них она лежала тяжким грузом. Им это давалось ценою глубокой внутренней неурядицы: традиционному взгляду на вещи не хотелось отступать и приходилось уступать. Для иных из ветеранов квантовой революции такая неурядица оборачивалась пожизненной духовной смутой.
Ее поныне переживает де Бройль, по–прежнему стремящийся с надеждой на успех доказательно развить свое понимание пси–волн, которое полвека назад показалось ему таким спасительным…
Он вспоминал, как «пришел в восторг от прекрасных работ Шредингера». Тот по–дружески показал ему эти работы еще до опубликования, как родоначальнику идеи волн материи. Но растворять частицы в волнах де Бройль никогда не предполагал: ему дорога была волнообразность именно частиц. И поверить в образ волновых пакетов он не мог: «эта гипотеза не представлялась мне удовлетворительной».
Какую же роль в движении частиц отвела природа пси–волнам Шредингера? Размышляя об этом, Луи де Бройль придумал очень красивое построение — такое наглядное, что для него нашлось и очень поэтичное название: «теория волны–лоцмана» или «теория волны–пилота».
