Даниил Данин - Неизбежность странного мира

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 научного 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-единственная 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.

Уже видно: ищущая мысль теоретиков могла двигаться вперед двумя разными путями. Прерывность и непрерывность… Частицы и волны… Для нашего скромного воображения это две разные стихии. Но и для физических построений тоже. А для математических описаний тем более. В эти-то две разные стихии и окунулись два теоретика, создавшие в середине 20-х годов две механики микромира.