Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Любая элементарная частица — сгусточек энергии, потому что она сгусточек массы. (Вы еще не забыли рассказа о теории относительности?) С другой стороны, по мысли де Бройля, любому сгусточку массы свойственна волнообразность — та странная, блистательно подтвержденная на опыте волнообразность, какою с равной неизбежностью, но в разной степени обладают и электрон, и протон, и дробинка, и Земля. Что принять за степень этой волнообразное? Длину волны? Можно. Мы так и поступали. Период колебаний, то есть «время одной волны»? Тоже, разумеется, можно. А есть у всякого волнового процесса еще и третья характеристика, которая может заменить первые две: частота. Это число волн за единицу времени. Оно показывает, сколько раз «время одной волны» укладывается в секунде. Это « ν » формулы Планка.

Вот и получается, что у любой элементарной частицы есть все необходимое, чтобы с полным правом считаться квантом: как у корпускулы, у нее есть энергия «Е» (словно бы сконцентрированная в ее массе), как у волны, у нее есть частота «ν» (отражающая меру ее волнообразности). И связывается эта энергия с этой частотой, по идее де Бройля, все через ту же постоянную «h»: E = h·ν.

Она должна иметь глубокий физический смысл, эта таинственная в своей универсальности и в своем могуществе постоянная Планка! В ее универсальности убеждает только что сказанное: ее власть распространяется и на излучение и на вещество. А в чем ее могущество?

…Пустимся в нашу привычную игру воображения. Представим себе «другую вселенную», отличающуюся от нашей только тем, что там постоянная Планка иная, чем у нас. Измеренная в тех же единицах, что приняты на нашей Земле, — в наших граммах, наших сантиметрах, наших секундах — она, эта постоянная величина, пусть будет там, скажем, в 100 раз меньше!

Кванты красного света и там были бы квантами красного света, потому что частота электромагнитных колебаний оставалась бы там такой же, как у нас, а цвет зависит от частоты. Электроны и там были бы электронами, а протоны — протонами. Но в той воображаемой «другой вселенной» все кванты излучения и все частицы были бы в 100 раз менее «энергичны» и, следовательно, в 100 раз менее «массивны», чем у нас. И это не прошло бы незамеченным. Так, силы тяготения, зависящие от произведения притягивающихся масс, были бы уже не в 100, а в 10 тысяч раз слабее (100·100 = 10 000). И тамошняя Земля вращалась бы вокруг тамошнего Солнца уже совсем по другой орбите, и на нее падало бы совсем другое количество благодатного излучения. Словом, та, «другая вселенная», и впрямь была бы существенно другой. Единственное условие, чтобы она отличалась от нашей только значением постоянной «h», повлекло бы за собой неисчислимые последствия.

Вот точно так же можно было бы в словесной игре вообразить мир, в котором другая знаменитая постоянная — скорость света «С» (постоянная Эйнштейна) — обладала бы иной величиной, чем у нас. Измеренная тоже в общепринятых единицах длины и времени, она была бы там, ну, скажем, в 2 раза больше! Тогда в реакторах тамошних атомных электростанций из урана добывалось бы в 4 раза больше полезной энергии, чем в реакторах наших. (В четыре, а не в два, так как закон Эйнштейна для связи энергии и массы включает квадрат скорости света.) Но реакторы — мелочь, а вот учетверение энергии, рождающейся при термоядерных реакциях в звездах, наверное, изменило бы весь ход истории «той вселенной». Тамошнее Солнце расточало бы гораздо больше энергии, и жизнь на тамошней Земле, вероятно, была бы совсем другой… В общем это был бы тоже существенно другой мир.

Конечно, все это похоже на детские гадания: как жилось бы на острове, где дважды два — четырнадцать, а деревья ходят друг к другу в гости. Но все же некоторый смысл в этих играх воображения есть: вдруг становится ощутимо понятно, почему такие постоянные, как «С» и «h», ученые торжественно называют мировыми постоянными . Самый облик вселенной зависит от их значения. Или, наоборот, их значение существенно отражает устройство вселенной.

И еще: становится понятной вечная забота физиков о все более точном измерении этих величин. Они опора количественного знания всего на свете. Округляя, мы говорим: световая скорость «С» равна 300 тысячам километров в секунду. А физики не всегда могут удовольствоваться таким округлением. И потому измерения скорости света продолжаются. Так, 1951 год дал величину — 299 792 километра в секунду с вероятной неточностью всего в 1–2 километра. Это немножко другое значение, чем то, какое знал Майкельсон. И вот именно такая скорость, а не 300 тысяч — предел физических скоростей в мире.

А постоянная Планка — какова по величине она? Можно не сомневаться, что физики из перекрестных опытов и расчетов определили ее значение со всей доступной им сегодня точностью. И легко догадаться, что это очень маленькая величина. В ее малости должна отражаться малость самого микромира. Округляя цифры, величину постоянной Планка можно записать в виде такой баснословно малой дроби:

6 / 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 эрг. сек.

А точнее — 6,6237·10 -27эрго-секунд (энергия на время).

Но, разумеется, нам эта точность решительно безразлична. Нам важно другое. Важно, что постоянная Планка, подобно постоянной Эйнштейна, тоже предельная физическая величина. Она ведь как бы первооснова величины любого кванта. Постоянная Эйнштейна указывает на нечто наибольшее в природе. Постоянная Планка — на нечто наименьшее. «С» — физическая скорость, больше которой не может быть. А что такое «h»? Действие! Стало быть, наименьшее действие , возможное в природе: такая его порция, меньше которой не бывает. Физики недаром называют эту мировую постоянную квантом действия .

Как ни мал он, его величину реально чувствует микромир. И эта величина есть мера той сверхчувствительности атомов и элементарных частиц, которая при измерении заводит физиков в «каморку неточностей».

Теперь ясно, откуда берутся ее минимальные размеры: ответный сигнал микромира на вопрошающее воздействие лабораторного прибора требует энергии и времени, а их совместный расход — «энергия на время» — никогда не может стать меньше кванта действия. Наименьшая величина «каморки неточностей» — ее жилая площадь — прямо связана со значением постоянной Планка.

(Тут может возникнуть маленькое недоумение: «длина» и «ширина» нашей каморки — это неточности в импульсе и координате, другими словами — в скорости и положении частицы, а квант действия — это «энергия на время». Совсем разные вещи, по крайней мере — внешне. Да, конечно. Но только внешне. А физически это одно и то же. И прежде, во времена Мопертюи, когда само понятие энергии было еще смутным и не отделялось от понятия силы, в представлении о действии объединяли как раз то, что нам нужно: массу, скорость и перемещение тела. Это был «импульс на координату». Раскладывать действие на энергию и время стали позже. Но вот уже сто лет, смотря по надобности, физики поступают то так, то этак. Тут никакой хитрости да и нового знания нет — это манипуляция внутри одной и той же формулы. Хорошо, если б все наши недоумения были так же легко разрешимы! Однако вправду ли хорошо? Не вернее ли сказать — скучно?)