Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Да и, наконец, что за нелепость: неужели бывает так, что теоретики сначала сочиняют формулы, а потом додумываются до их истинного физического содержания?!

Бывает. Создатели квантовой механики никогда не скрывали, что с ними так именно и случилось. Весною 1929 года, читая лекции в Чикагском университете, Вернер Гейзенберг смутил заокеанскую аудиторию не совсем обычным признанием: «Нужно указать, что развитие математического аппарата квантовой механики предшествовало физическому пониманию атомной физики».

Такие вещи поражают. Ведь со стороны большинству людей точная наука рисуется хорошо налаженным «логическим производством» истин: природа доставила сырье, исследователи переработали его своим физическим пониманием, на склад ушла готовая продукция безупречных формул. Так выглядит физика в учебниках: не драма идей, а приходная ведомость. Или расписание поездов. Это по необходимости: иначе ни один изучающий никогда не доехал бы до станции назначения. А в действительности расписания нет, и наука, как поэзия, «вся — езда в незнаемое». И, может быть, физике повезло, что квантовая механика сначала была создана, а потом по-настоящему понята: неизвестно, хватило бы у строителей решимости воздвигать ее здание, если б знали они заранее, на каком фундаменте строят.

Волновые пакеты, к сожалению, не годятся на роль частиц. И выручить из беды воображение физиков — свести корпускулы к волнам — им не было суждено.

Их отличает скверное свойство: с течением времени они расползаются по пространству. Быстрее ли, медленнее, но обязательно расползаются. Даже без доказательств физическое чутье подсказывает, что это неизбежно. Возникший нечаянно из хаоса волн на реке одинокий гребень не живуч. Разномастные водяные волны движутся с разными скоростями, и потому упаковка их в этом гребне временна, непрочна.

Будь электрон волновым пакетом, его ждала бы та же судьба. Раньше или позже он расплывался бы, и уж, конечно, экспериментаторы нашли бы способ это заметить. И не только заметить: они смогли бы отделить — отсечь — часть электрона от остальной его растекшейся по пространству плоти.

Между тем всюду и всегда электрон проявляет себя как нечто целое . Как единая порция электрического заряда. Как неделимый квант энергии-массы. В этом смысле он по праву носит название элементарной частицы: во всех взаимодействиях он участвует целиком — всем своим существом.

Однако ведь по знаменитому ленинскому прогнозу — электрон неисчерпаем! И, разумеется, придет день, когда физикам станет известно, как он «устроен». Но не стоит думать, что в этот знаменательный день они сумеют отрезать от электрона «кусочек заряда» или отщипнуть от него «кусочек волны». Наверняка можно только сказать, что они узнают в этот день механизм его удивительной цельности. И, конечно, тотчас начнут копать дальше. Какая бы картина ни открылась перед физиками в недрах электрона, пакетом из волн он все равно не окажется. Судьба волновых пакетов — не его судьба. Он неограниченно устойчив.

Таков же фотон. Таков протон.

Нет, любые попытки увидеть в элементарных частицах конструкции из пси-волн тотчас превращали их вопреки природе в обреченные создания, тающие в пространстве. И физики, сразу отказались от этих попыток. Кажется, только Шредингер продолжал надеяться на что-то и даже недавно, в 50-е годы, еще лелеял свою старую веру в волны, волны, еще раз волны, и только волны. Мы на его месте…

Смешно звучит — «мы на его месте», но, наверное, и мы на его высоком месте в науке тоже упорствовали бы. Нам пришло бы в голову, что ведь и атом сначала выглядел обреченным, когда Резерфорд усмотрел в нем маленькое подобие солнечной системы. Электроны в таком атоме должны были неминуемо падать на ядро, и классическая физика спасти планетарный атом не могла. И все-таки Резерфорд не отказался от своей модели. И с нее начались квантовые скачки Бора, волны де Бройля, двойственность материи, квантовая механика.

Так, может быть, и заманчивый образ волновых пакетов вовсе не надо было бросать?

Впрочем, этот образ уже и нельзя было просто отбросить, даже если б физикам и хотелось от него освободиться. Волновое уравнение Шредингера прекрасно служило механике микромира. Его решения — пси-функции или пси-волны — безошибочно описывали, скажем, поведение электрона в атоме водорода. Значит, они отражали то, что Эйнштейн называл «краешком истины». Ну, а эти решения, эти физически непонятные пси-волны, как бы сами собой, по воле математики, слагались в волновые пакеты. И получалось так, что электрон, если и не сконструирован из волн, то все-таки движется как бы в волновой упаковке. А удержать эту волновую упаковку от расползания было немыслимо — та же математика диктовала тут свою волю.

Так неужели только оттого, что «математика велела», электроны и любые частицы обязаны были растворяться в пространстве, как жемчужины в уксусе?

Конечно, с математикой шутить нельзя — она неподкупна. Но частицы надо было спасти! Это повелевал опыт. Совершенно так же, как в 1911 году он повелевал спасти планетарный атом. И так же, как атому помогла уцелеть проницательность Нильса Бора, догадливость физиков должна была выручить из трудного положения элементарные частицы, закутанные в странные волновые пакеты. Не так ли?

Все очень резонно.

Однако это и значило, что физикам надо было понять, о чем же рассказывает им честная математика? Какие свойства природы прячутся за шредингеровскими пси-волнами, раз уж это наверняка не волны материи? Короче, физики задним числом вынуждены были осмыслить дело собственных рук. Макс Борн первым вник в непонятное. Или по крайней мере первым во всеуслышание и обоснованно заговорил о физическом смысле пси-волн, отвергнув шредингеровскую «волновую ересь».

Нет, сначала он только почувствовал правду.

Он вспоминает об этом, как человек, которого осенило: как поэт о счастливой строке или актер о внезапно найденном жесте. «Когда появилась волновая механика Шредингера, я сразу почувствовал, что она…» Дальше следует мудреная фраза на физико-математическом языке со всякими там «амплитудами вероятности» и «квадратами модуля пси», так что кажется непостижимым, как подобные вещи можно почувствовать , да еще сразу .

Однако по свидетельству многих теоретиков, например академика Ландау, новые идеи приходят к ним именно в виде математических или полуматематических образов.

Физики переживают подобные внутренние события нисколько не реже и нисколько не менее сильно, чем поэты или изобретатели. Осеняет ищущего. Рассказывают, что, когда Ньютона спросили, как открыл он закон тяготения, он ответил: «Я думал об этом». И во что бы ни отлилось позже озарение ищущего — в художественный образ, формулу или конструкцию, оно, это озарение, имеет еще и предысторию. Оно возникает на уже возделанном поле. Его предыстория — незаметная работа мысли. Его почва — глубокое чувство реальности. И право же, не видно, чем тут отличается исследователь от художника?