Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Прежде всего — драма возраста. Последний существенный вклад в физику Эйнштейн сделал в 1925 году, оценив и развив идею 30-летнего индийского теоретика Бозе, в результате чего в науку вошли «статистика Бозе — Эйнштейна» и «конденсат Бозе — Эйнштейна». Непочтительные физики по этому поводу говорят, что «Эйнштейн почил в Бозе». Великому теоретику было тогда всего 46 лет, но, судя по истории физики, это многовато для фундаментально новых идей.

Эйнштейну можно не сочувствовать — судьба дала ему двадцать поразительно плодотворных лет. Он по-прежнему слушал свою интуицию, а не общественное мнение. Интуиция, однако, повела его «не туда», и резко ослабла восприимчивость к новым фактам. Его размышления об истории идей и людей науки остались увлекательно-проницательными до конца его дней, но для новых идей он все более закрывался, как, например, для идей Фридмана и Леметра.

В 20-е годы стремление объединить гравитацию и электромагнетизм можно было оправдать тем, что других сил и не было известно. В 30-е же появились свидетельства о двух новых типах взаимодействия в микромире. А главное — мотив объединить теории «для красоты» радикально отличался от мотивов успешного новаторства Эйнштейна: объяснить новый факт , как в случае фотоэффекта, или устранить противоречие , что привело к теории относительности, к теории гравитации и даже к необходимости ее квантовой «модернизации», о чем он говорил вплоть до 1918 года.

Радикальный поворот, можно сказать, переворот, произошел в 1919–1921 годах, когда Эйнштейн надел на себя шоры Единой теории поля и не снимал их до конца жизни. Трудно уйти от мысли, что в этом сыграл свою роль беспримерный триумф 1919 года, когда экспедиция Эддингтона во время солнечного затмения подтвердила «чисто» теоретическое предсказание Эйнштейна об отклонении света. При всей его самоиронии испытание медными трубами выпало на долю Эйнштейна сильнейшее. На него накинулись репортеры, издатели и просто поклонники знаменитостей:

Хлынул поток газетных статей, и страшное наводнение запросов и приглашений затопило меня так, что мне снится, будто я жарюсь в аду, а почтальон — это сам сатана; он рычит на меня не переставая и швыряет мне в голову очередную кипу писем, между тем как я еще не успел ответить на старые.

Адское наводнение славой могло усилить и без того неслабое доверие Эйнштейна к своей интуиции и сделать это доверие слепым. Так, по крайней мере, думали молодые физики Джаз-банда: неужели великий физик не понимает, что из сколь угодно обобщенной сG -теории не выведешь h -физику, если из констант с и G невозможно получить величину размерности h ?!

А может, Эйнштейн попросту зазнался? Для мании величия оснований у него было больше, чем у многих, но признаков такой мании не видно. Скорее наоборот. Свое величайшее достижение — теорию гравитации — он поставил под (квантовый) вопрос в год ее создания. А спустя двадцать лет, когда теорию уже экспериментально подтвердили и она заняла свое почетное место, он сравнил ее со зданием, «одно крыло которого сделано из благородного мрамора [геометрия пространства-времени], а другое — из низкосортного дерева [описание массы-энергии]». С такими разными крыльями высоко не поднимешься. Поэтому Эйнштейн и пытался перестроить фундамент глубоко внизу, чтобы на новой основе возвести новое здание полной физической теории.

Так или иначе, к 1930-м годам жизнь Эйнштейна все более разъединялась с жизнью фундаментальной физики. И его не занимали новые проблемы, предвещавшие новый кризис и новую революцию в физике.

Завершенная в 1927 году квантовая механика, или h -теория, дала надежную теоретическую основу для физики атомных явлений — поведения частиц, движущихся вне ядра. Другое дело — само ядро.

Тогдашняя физика знала, что мироздание построено из трех видов частиц: протоны, электроны и фотоны. Протон — ядро водорода, самое легкое из ядер. Считалось, что все другие ядра, по весу примерно кратные протону, из соответствующего числа протонов и состоят. А то, что положительный заряд ядер меньше, чем это число, объясняли наличием в ядрах электронов — внутриядерных электронов, отрицательный заряд которых компенсирует «лишний» положительный заряд протонов. Так, например, ядро второго по номеру элемента — гелия — считали состоящим из четырех протонов и двух электронов.

К тому времени уже давно расшифровали все три типа радиоактивности — альфа-, бета— и гамма-лучи. Оказалось, что это не столько лучи, сколько частицы: альфа — ядра гелия, бета — электроны, гамма — фотоны очень высокой энергии. Все эти лучи-частицы вылетают из ядер. Но почему из некоторых ядер вылетают альфа-частицы, из других — бета или гамма, а из третьих ничего никогда не вылетает? То был лишь один из безответных вопросов, но только что открытые законы квантовой механики, как считалось, неприменимы к физике ядра. Основания так думать усматривали и в экспериментах, и в теории.

В 1927 году в точных опытах установили, что электроны, вылетающие при бета-распаде ядер, имеют разные энергии, а разность энергий ядра до и после распада больше средней энергии бета-электронов. При этом не было гамма-излучения, которое могло бы спасти баланс энергии.

Это дало Бору основание предположить, что в ядерной физике баланс действительно нарушается — нарушается закон сохранения энергии. Эту страшную гипотезу Бор высказал, будучи уверен, что речь шла о новой, неизученной области физики, для которой требуется ch -теория. И опирался он при этом на h -теорию квантовой механики, в основе которой знаменитое соотношение неопределенностей координаты частицы x и ее импульса p = mV :

∆x . ∆p > h.

Применяя это соотношение к внутриядерным электронам, для которых ∆x не больше размеров ядра, получали, что диапазон скоростей этих электронов

∆V > h/m∆x.

Если сюда подставить массу электрона m, а вместо ∆x — размер ядра, окажется, что скорости внутриядерных электронов близки к скорости света, и, значит, для описания их поведения нужна ch -теория, которой еще не было и в которой мог не выполняться закон сохранения энергии. К этому Бор привлек еще одну загадку тогдашней физики, точнее астрофизики, — загадку звездной энергии: тогда не знали, какой источник энергии обеспечивает сияние звезды на протяжении миллиардов лет. И Бор предположил, что нужный источник объясняется той же самой ch -теорией, в которой энергия может рождаться из «ничего» и которая объяснит, как и в каком темпе такое рождение происходит.