«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

 

 

Законы поведения элементарных частиц материи

 

 

 

Мир причудливых сущностей. Странно устроенный мир.

 

Есть что-то навязчивое, что-то досаждающее в этих полупоэтических фразах, в этом примеривании обычного в природе на человеческий аршин необычного, словно человек и вправду имеет законное право считать себя и свой весьма ограниченный опыт всеобщей мерой вещей.

 

В конце концов не пустая ли это игра в слова называть нормальное — причудливым, естественное — странным? Виновата ли природа, что люди стали изучать вселенную «не с того конца»? Вернее — «с середины», с вещей и событий земного масштаба, а потом только смогли направиться в дали галактик — в сторону большого, и в глубины атома — в сторону малого...,

 

Примись люди за дело по разумным правилам логики, то есть начни они с простого, чтобы постепенно подниматься к сложному, и, право же, не происходило бы никакой драмы идей. Все раскрывалось бы последовательно, по заведенному самой природой порядку. Все узнавалось бы, усложняясь от ступеньки к ступеньке, начиная с законов поведения элементарных частиц материи и течения элементарнейших процессов в пространстве-времени. Лепясь вокруг первой снежинки, как снежный ком, росло бы непротиворечивое знание. Наши понятия обогащались бы, не требуя жертв: не надо было бы отрекаться от прежних представлений, а только развивать их. И мы не ведали бы унизительного огорчения от сознания, что нам так трудно понимать самое простое в природе. Наверное, квантовая механика была бы арифметикой физики, ее учили бы дети.

 

Часто даже в книжках пишется, что атом устроен гораздо сложнее солнечной системы, хотя это за!ведомая нелепость по одному тому, что любое небесное тело сработано природой из мириад атомов. Сложнейший из них — несравненно менее причудлив, чем мельчайшая пылинка земного. Но, несмотря! на всю очевидность этого, именно в микромире мы усматриваем странность за странностью.

 

Так ученые, владевшие тончайшими тонкостями современного языка и не затруднявшиеся чтением, скажем, Пушкина или Канта, десятилетиями бились над расшифровкой египетских иероглифов или дощечек с острова Пасхи, примитивных, как надписи на памятниках, упрощенных, как вывески.

 

Мы ворвались в атом со стороны — пришли туда с представлениями, выработанными при узнавании механизма событий, в которых волнообразность материи не проявляется ни в чем, и удивляемся, что на нашем физическом языке там нельзя объясняться запросто.

 

У человечества одно оправдание: сама природа виновата, что люди стали изучать ее «с середины». У нее нет первой снежинки — нет самого простого. Если бы случилось невозможное и древние некогда начали бы с элементарных частиц, все равно ведь вышло бы, что не сначала начали! И, наконец, это сама природа определила человеческий масштаб, завязав когда-то жизнь на Земле. Мыслящее существо не могло бы оказаться микросуществом — туземцем в атомном мире. Есть один неожиданный довод, объясняющий это, кроме всех биологических и исторических истин.

 

Кибернетика показала, что можно построить машину, которая в качестве своей продукции будет выпускать точно такие же машины, как она сама. Но вот что замечательно: доказана теорема, по которой такая «самовоспроизводящаяся машина» должна обладать определенным уровнем сложности. Она не может быть простой конструкцией! Казалось бы, простое легче воспроизвести, но процесс воспроизведения себе подобного такая мудреная вещь, что простое на это не способно. Лопата не сделает лопаты. Так, даже одноклеточные вирусы — это сложнейшие конструкции из атомов, высокомолекулярные образования из микромиров. Иначе они, примитивнейшие, мельчайшие, невидимые, не были бы способны на первое всеобщее чудо жизни — на создание в подходящих условиях собственных копий.

 

А мышление — не первое и уж совсем не всеобщее, а редчайшее чудо жизни. Оно — ее высшее достижение. И с инженерной точки зрения от атома до вируса ближе, чем от вируса до человека. Сложность и гибкость человеческой конструкции были бы неосуществимы без выхода далеко за пределы микроуровня бытия материи. Законами природы задан масштаб человека — тот макромасштаб, при котором двойственность вещества реально не обнаруживается.

 

Вот и получается, что вовсе не из-за своей ограниченности, а как раз благодаря своему совершенству мыслящие существа вынуждены удивляться элементарным частицам, как причудливым образованиям. Слово «странно» недаром не сходит у нас с языка, когда мы спускаемся в глубины материи. Необъяснимо было бы обратное — если бы наше воображение чувствовало себя «как дома» среди волн-корпускул. Тогда природа попросту не смогла бы в человеке дойти до самопознания: он был бы для этого слишком примитивным существом.

 

Зачем высказано здесь все это?

 

По правде говоря, прежде всего для утешения. Сейчас нам предстоят новые жертвы: расставание с представлениями, которые, казалось бы, должны были остаться нетронутыми даже в передрягах современной физики.

 

Не думайте, что за долгими разговорами о двойственности элементарных частиц забылось наше намерение — увидеть, как получилось, что микромир возник перед мысленным взором физиков в неожиданном образе «мира утраченных траекторий». Напротив, все эти разговоры о волнах-частицах только тому и служили, чтобы в утрате траекторий не было для нас никакой неожиданности. На первый взгляд, может почудиться, что эта цель и впрямь уже достигнута. Конечно, частицы с волновыми свойствами не могут вести себя ,как твердые шарики. И очень понятно, что пути их движения, наверное, лишены строгой определенности классических траекторий. Это «на ощупь» чувствуется -— без доказательств. Во всяком случае, тут уж нечему удивляться, если мы только справились с изумлением перед двойственностью материи! Вот снова получается — грозились непостижимостью, а на деле все так очевидно...

 

Но что же помешало Эйнштейну принять эту очевидность? Что тут вызвало протест у де Бройля? Почему тридцать пять лет вокруг такой, казалось бы, безобидной вещи спорят физики и философы? Может быть, не так уж безобидна эта утрата классических траекторий в микромире? Да, она оказалась в сто крат мучительней для научйого осознания и освоения, чем гибель абсолютного пространства и абсолютного времени в теории относительности.

 

Физикам 20-х годов пришлось первыми преодолевать отвесную крутизну. Подъем продолжается и сегодня. Но нам по-прежнему — только смерить бы взглядом открывшуюся высоту (или пропасть — если угодно)! Зато теперь у насесть в запасе утешение, что каждому макросуществу по велению самой природы приходится при этом закидывать голову, крепко придерживая шапку, иначе свалится.

 

История научных исканий всегда помогает вникнуть в их суть. В истории квантовой механики есть интереснейшая черта как раз из тех, что «помогают». Дело было так...

Еще прежде, чем от экспериментаторов пришло прямое доказательство волнообразности электрона, два теоретика совершенно независимо друг от друга принялись разрабатывать механику микровселенной. Уже более четверти века в лабораториях всего мира существовал и копился огромный следственный материал по «Делу об атоме». Он требовал единого объяснения.

 

И не надо повторять, что, пожалуй, всего больше физиков занимали атомные спектры, все те же атомные спектры, непонятную прерывистость которых Бор в 1913 году сделал понятной, догадавшись, что электроны скачут в атоме по лестнице разрешенных орбит. Помните, до теории Бора Эйнштейн иронически называл спектроскопию «зоологией», а после Бора Зоммерфельд заговорил, о «спектральной музыке». Физик, настроенный деловито, а не насмешливо (зоология!), прозаически, а не возвышенно (музыка!), мог бы признаться, что интерес его к спектрам — в общем-то просто бухгалтерский: они, эти красивые спектры, всего только тщательно разграфленные ведомости по приходу-расходу энергии в атомном хозяйстве. Но в этом и было их бесценное значение для теоретиков.

 

Каждая линия в спектре — след скачкообразного перехода атома из одного состояния в другое. Линий — множество, целый частокол. Это потому, что у атома много разрешенных природой уровней энергии, целая лестница. Будь у атома всего два дозволенных уровня — одна ступенька, существовал бы лишь один вариант скачка. В спектре сияла бы одна-един- ственная линия: все атомы такого воображаемого, бедного уровнями вещества испускали бы кванты одинаковой величины — свет одной частоты, одного цвета. Пестрому разнообразию спектральных линий неоткуда было бы взяться. Нет, реальным атомам такая скудость энергетических возможностей незнакома. И боровская лестница уровней энергии прекрасно это объясняла: она запрещала электронам непрерывно скатываться поближе к атомному ядру, непрерывно излучать свет, но она оставляла в их распоряжении десятки вариантов «коротких» и «длинных» скачков с испусканием больших и малых квантов энергии.

 

Все бы хорошо, но теория Бора не могла растолковать другого, бросающегося в глаза и всем известного факта: одни линии в ,спектрах ярки, другие — бледны, третьи — едва различимы. Отчего так? Значит, не все квантовые скачки равноправны?

 

...Физик вносит в пламя горелки крупицу стронция. Пламя тотчас становится ярко-красным. Можно подумать, что стронций являет собой пример как раз того бедного возможностями нереального вещества, в атомах которого есть всего два уровня энергии. Резкие и частые столкновения в высокотемпературном пламени возбуждают триллионы атомов стронциевой крупинки. А затем почти мгновенно электроны в этих атомах, отогнанные от ядра, возвращаются скачками назад, излучая квантами нечаянно приобретенную энергию. Глядя на пламя, физик и в самом деле вправе решить, что атомы стронция не умеют излучать никаких других квантов, кроме фотона красного света. Но это слишком невероятно: даже у атома водорода, где вокруг ядра движется всего один электрон, есть много уровней энергии и квантовые скачки разнообразны. А в сложном атоме стронция — десятки электронов. В чем же дело?

 

Красное пламя горелки физик ставит напротив щели спектроскопа. Излучение стронция летит через призму. Электромагнитные световые волны разной частоты преломляются по- разному — на экране возникает многоцветный веер изображений щели. Как физик и ожидал, от крупицы стронция отлетают кванты разной величины. Там осуществляются многочисленные варианты квантовых скачков.

 

Но все-таки красная линия горит подавляюще ярко, тревожно (точно напоминая, что у стронция есть опасный радиоактивный изотоп). Снова — в чем же дело? Излучают одновременно мириады возбужденных пламенем атомов. Если красная линия настолько ярче других, что забивает остальные цвета, значит «красный скачок» наверняка осуществляется гораздо чаще других вариантов. Почему? Почему у натрия ярче всего горит желтая линия? Почему там наиболее вероятен «желтый скачок»? Почему иные возможности встречаются реже и других квантов излучается мало, так что линии их бледны или совсем тусклы?

 

Вы чувствуете: ответить на эти назойливые вопросы, как и на десятки других, могла бы только развитая механика микромира, знающая закономерности таинственных квантовых переходов. А теория Бора лишь верно рисовала лестницу энергетических уровней в атоме —.уровней энергии взаимной связи электронов и ядра. О правилах движения по ступенькам этой лестницы, — а привода, видимо, установила тут какие-то свои правила, — модель Бора не могла сказать ничего. Она была как бы моментальным снимком с атома, а не кинолентой, показывающей ход событий в атомном пространстве-времени. Она еще не была механикой микрочастиц.

 

Когда через десять лет де Бройль заговорил о волновых свойствах движущегося электрона, появилась новая забота: понять если не сущность, то хотя бы законы движения этих непонятных «волн материи». Но в науке новые заботы не обременяют. Они рождают новые надежды. Сразу объяснилась лестница уровней энергии в атоме. Значит, можно было надеяться, что волны де Бройля объяснят и многое другое. Однако и дебройлевская волновая модель тоже была не больше, чем моментальным снимком с движущегося электрона в атоме. Она еще не давала механики электронных волн.

 

 

К содержанию книги: Научно-художественная книга о физике и физиках

 

 Смотрите также:

  

Физика. энциклопедия по физике

Книга содержит сведения о жизни и деятельности ученых, внесших значительный вклад в развитие науки.
О физике

заниматься физикой как наукой или физикой, которая...

Эта книга адресована всем, кто интересуется физикой. В наше время знание основ физики необходимо каждому, чтобы иметь правильное представление об окружающем мире

Энциклопедический словарь

И старшего. Школьного возраста. 2-е издание исправленное и дополненное. В этой книге  Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках

 

И. Г. Бехер. книга Бехера Подземная физика

В 1667 г. появилась книга И. Бехера «Подземная физика», в которой нашли отражение идеи автора о составных первоначалах сложных тел.

 

Последние добавления:

 

Право в медицине      Рыбаков. Русская история     Криминалист   ГПК РФ