Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

о своих исследованиях свойств катодных лучей. При желании этот день можно считать днем рождения электрона — первой элементарной частицы в физике. По иронии судьбы, почти ровно тридцать лет спустя, в мае 1927 г., его сын Джордж Паджет Томсон (1892—1975) доказал, что электрон — это волна.

И оба они правы, оба отмечены Нобелевской премией за свои открытия.

ГЛАВА 9

Кентацр

В начале 20-х годов физики Макс Борн и Джеймс Франк и математик Давид Гильберт организовали в Гёттингене «Семинар по материи», на котором задолго до работ Гейзенберга и Шрёдингера стали употреблять термин «квантовая механика». В нем принимали участие и признанные в то время ученые, и знаменитая впоследствии молодежь. Почти каждый семинар Гильберт начинал вопросом: «Итак, господа, подобно вам, я хотел бы, чтобы мне сказали точно — что такое атом?»

Сейчас мы знаем об атоме больше, чем все участники семинара тех лет, однако ответить Гильберту с полным знанием дела мы еще не готовы. Нам известно теперь довольно много фактов квантовой физики, но пока еще недостает понятий, чтобы эти факты правильно истолковать.

Благодаря Нильсу Бору даже сейчас, много лет спустя, при слове «атом» непроизвольно приходит на ум именно «планетарный атом», то есть маленькая планетная система из ядра и электронов. Только потом усилием воли мы заставляем себя вспомнить, что атому присущи также и волновые свойства. Сейчас, как и прежде, обе идеи — «электрон-волна» и «электрон-частица» существуют в нашем сознании независимо, и невольно мы пытаемся от одной из них избавиться. «Частица или волна?»— к этому вопросу в 20-х годах физики возвращались постоянно: стремление к определенности заложено в человеке очень глубоко.

К весне 1926 г. в атомной физике сложилось любопытное положение: порознь и независимо возникли сразу две квантовые механики, исходные посылки которых резко различались. Гейзенберг вслед за Бором был убежден, что электрон — частица, и свои матричные уравнения написал в этом убеждении. Шрёдингер смог вывести свое дифференциальное уравнение, лишь поверив вместе с де Бройлем в волновые свойства электрона.

Гейзенберг требовал, чтобы в уравнения входили только те величины, которые можно непосредственно измерить на опыте: частоты спектральных линий и их интенсивности. На этом основании он исключил из теории понятие «траектория электронов в атоме» как величину принципиально ненаблюдаемую. Шрёдингер тоже не использовал понятия траектории, однако записал свое уравнение для ф-функции, которая сама по себе измерена быть не может и физический смысл которой поначалу не был ясен никому, включая и самого Шрёдингера.

Опыт — последний судья во всех спорах — вначале решительно был на стороне матричной механики. В самом деле, из опытов Фарадея следовала неделимость электрического заряда, и дальнейшие опыты Крукса и Дж. Дж. Томсона определенно это доказали. Таким свойством может обладать только частица. Опыты Милликена и фотографии следов электрона в камере Вильсона устранили последние в этом сомнения. Но планетарный атом неустойчив, то есть представления об электроне-частице резко противоречили факту удивительной стабильности атома. Постулаты Бора были специально придуманы для того, чтобы обеспечить устойчивость атома при условии, что электрон — это частица. Де Бройль и Шрёдингер пошли другим путем и показали, что наиболее естественно устойчивость атома можно объяснить, допустив, что электрон — это волна, а не частица. Эту гипотезу вскоре подтвердили прямыми опытами Дэвиссон, Джермер и Дж. П. Томсон, обнаружив у электрона способность к интерференции и дифракции.

Опытам принято верить. Но как поверить сразу двум опытам, если они исключают друг друга? Возникшая ситуация имела примеры в истории физики и все же была настолько необычна, что вначале никто не подозревал о единстве двух механик, а потому все стремились доказать истинность одной из них и ложность другой. Между сторонниками обеих теорий шли ожесточенные споры: одни отстаивали право первородства матричной механики, другие — предпочитали математическую простоту волновой. Конец этим спорам положил Шрёдингер в начале 1926 г., доказав, что обе механики математически эквивалентны. Для каждого физика это означало, что они эквивалентны также и физически, то есть — что перед нами одна и та же механика — механика атома, но записанная в разных формах. Это означало также, что верны исходные предпосылки обеих механик: представления матричной механики'об электроне-частице и представления волновой механики об электроне-волне.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Чем больше ученые узнавали об атоме, тем менее категоричными становились вопросы, которые они задавали природе. Во времена Планка и Эйнштейна хотели знать: «Луч света — это волна или поток частиц-квантов?» После работ де Бройля по-прежнему пытались выяснить: «Электрон — что это: волна или частица?» Лишь постепенно и с большим трудом оформилась простая мысль: «А почему или? Почему эти свойства — волны и частицы — должны исключать друг друга?» По трезвом размышлении оказалось, что логических оснований для альтернативы «или — или» нет. А единственная причина, по которой от нее не отказывались,— все та же инерция мышления, благодаря которой мы всегда пытаемся осмыслить новые факты с помощью старых понятий.

Существует еще одна трудность — психологическая. В повседневной жизни мы привыкли, что предметы тем проще, чем они меньше. Например, из 33 матрешек, вложенных одна в другую, самая маленькая — самая простая, бильярдный шар значительно проще шара земного, а целое всегда состоит из более простых частей. Когда, сидя у моря, Демокрит делил яблоко, он мог представлять себе атом каким угодно, но вряд ли ему приходило в голову, что он устроен сложнее, чем все яблоко. Это и в самом деле не так. Но случается, что одни и те же свойства очевидны у малых предметов и совсем незаметны у предметов больших. Точно так же при дроблении вещества (которое мы по традиции мыслим себе построенным из частиц) у него не появляются новые, волновые свойства — они проявляются — просто раньше мы их не замечали.

С явлениями подобного типа мы сталкиваемся значительно чаще, чем сознаем это. Бильярдный шар и шар земной — прежде всего шары и этим похожи. Однако немало людей пострадало за эту истину, прежде чем Земля для всех стала шаром. А форма бильярдного шара не вызывала сомнений даже у отцов инквизиции. Все дело в соотношении явления и наблюдателя. Земля — точно так же, как и каждый ее электрон,— обладает свойствами волны. Однако если попытаться описать ее движение с помощью уравнения Шрёдингера, то при массе Земли 5-1027 г и скорости, с которой