Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

В 1924 г. состоялся 4-й Сольвеевский конгресс. На него был приглашен единственный физик «немецкого происхождения» — Эйнштейн. И снова Эйнштейн отклонил приглашение, на этот раз открыто заявив о том, что принять это приглашение значило бы предать своих немецких коллег. «С моей точки зрения, — писал он Лоренцу, — нельзя смешивать политику с наукой и нельзя заставлять человека нести ответственность за действия правительства страны, гражданином которой ему выпало быть» [Там же]. Тогда не ждали от науки ничего дурного; время, когда над человечеством нависнет страшная угроза, было еще впереди. Тогда наука была святой. И, как ни велико было предубеждение против Германии, жажда разгадать тайны природы оказалась непреодолимой. И снова наука стала интернациональной. Начался, как принято говорить в литературе, второй этап героического периода современной физики.

Двадцатые годы, самое их начало, впечатляют, пожалуй, не меньше, чем величественный 25-й год, от которого отсчитывает квантовая механика свои юбилеи. Двадцатые годы — это время подведения итогов, оценки степени понимания накопившихся экспериментальных данных. Результаты оказались тревожными. Определенными были лишь две вещи: первая — это то, что экспериментальные данные безусловно подтверждали реальность кванта, и вторая — привычные методы классической физики оказались абсолютно неприспособленными для использования новой величины.

Стало совершенно ясно, что созданные к этому времени квантовые теории требуют серьезного пересмотра. Накал в физическом мире был таков, что, как взрыв, появилась квантовая механика, появилась, как по взмаху волшебной палочки. Она родилась многоликой. Почти одновременно тремя совершенно разными людьми в разных городах, — Гейзенбергом в Геттингене, Дираком в Кембридже и Шредингером в Цюрихе, — были созданы совершенно различные на первый взгляд теории, составляющие сегодня суть квантовой механики и всей современной физики. Но для этого потребовалось много, потребовались героические усилия физиков старшего поколения и неудержимая фантазия поколения ровесников самого кванта.

Это поколение появилось на свет и росло в атмосфере постоянных открытий во всех сферах деятельности человека. С этим поколением родились аэроплан и радио. С этим поколением появились прививки от дифтерита, витамины и способ определения группы крови, появились пептиды и первая гипотеза строения белков, взрывчатые вещества и удобрения. Выставочные залы преподносили сюрпризы: художники открывали новое искусство. И в этом шквале нового, принимая новизну и чудеса за норму и обыденность, росло поколение, родившееся с веком. Росло в обстановке, когда еще не успело пройти удивление первым аэропланом и звучало эхо пророчества братьев Райт после их первого полета о том, что «еще тысячу лет человек не будет летать», а уже развивалось мощное самолетостроение — в первую мировую войну шли воздушные бои, а перед самой войной поручик Нестеров в России крутанул самолет в мертвую петлю. Дешевые автомобильчики бегали по мощенным булыжником дорогам Европы. Скромная лаборатория Маркони превратилась в богатую фирму, осуществившую в самом начале века радиосвязь через Атлантический океан.

В физику это поколение пришло в то время, когда большие надежды сменялись горьким разочарованием, появлялись новые надежды и сменялись новыми разочарованиями. Бесспорными были лишь экспериментальные факты, бесспорными и ошеломляющими. Что же касается их толкования, то очевидным было только то, что квант действия играет в физике фундаментальную роль. Но все теории с использованием кванта, на первый взгляд удачные, давали в лучшем случае качественное согласие, а при появлении новых экспериментальных данных оказывались и вовсе несостоятельными. И физики были вынуждены вводить в теорию искусственные ограничения и дополнения, каждый раз новые, каждый раз с большим трудом подгоняя теорию к эксперименту. Все понимали, что метод подгонок — явление временное и для получения последовательной теории нужны кардинальные перемены. Это было время упорного поиска новых путей. Затрачивались огромные усилия для выхода из создавшихся затруднений и противоречий. Физика была похожа на запутанный клубок шерсти, из которого торчали несколько концов, и стоило умело потянуть за какой-нибудь конец, как тот, вначале поддавшись, дальше только сильнее затягивал и запутывал сердцевину. По словам Нильса Бора, вся ситуация в физике оставляла у него тогда чувство «грусти и безнадежности» [12, с. 845]. Новое поколение пришло в физику без чувства грусти и безнадежности. Ему не было дела до тревог и опасений своих учителей. Они пришли в науку, как рыцари без страха и упрека. Они были смелыми и веселыми, а если впадали в отчаяние, то оно было, как у детей, очень глубоким и очень коротким.

Подробный рассказ о том узком интервале времени, который предшествовал открытию квантовой механики, всего лишь об интервале с 1922 до 1925 г., — предмет отдельной книги. А сейчас, только чтобы прикоснуться к тому времени, вспомним историю с открытием спина. Тем более, что главные действующие лица в этой истории — Паули, Уленбек, Гаудсмит, Крониг — ровесники кванта и даже моложе его.

В конце прошлого века Лоренц предсказал расщепление спектральных линий в магнитном поле. В 1896 г. Питер Зееман обнаружил это явление экспериментально. В 97-м Лоренц построил теорию эффекта Зеемана. В следующем же, 98-м, году Зееман обнаружил иное и совершенно неожиданное поведение спектральных линий в магнитном поле. Это явление было названо аномальным эффектом Зеемана, и классической теорией Лоренца оно не описывалось. Но все вместе было столь впечатляющим, что в 1902 г. Лоренц и Зееман получили Нобелевскую премию. Это была вторая по счету Нобелевская премия по физике. Первая премия была присуждена Рентгену в 1901 г. И только в 1945 г. Паули получит Нобелевскую премию за работу более чем двадцатилетней давности — за открытие принципа, названного принципом Паули и введенного им для объяснения аномального эффекта Зеемана.

Вольфганг Паули (1900 г. рождения) — ученик Зоммерфельда. Ему было 19 лет, когда он впервые слушал лекцию Эйнштейна о теории относительности. Сразу после лекции Паули взял слово и сказал: «Знаете ли, то, что рассказывал нам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо» [10, с. 142]. В какой-то книжке (помню только, что автор не физик) я прочитала фразу о том, что физики очень смелые люди, потому среди физиков много альпинистов и подводников, а может быть, горнолыжников. И получалось у этого автора так, что, если вы не можете взять семитысячник или спуститься напрямую с Кохты, не выйдет из вас настоящего физика. Паули не был ни альпинистом, ни подводником и в свои 20 лет был уже тучным и необыкновенно неуклюжим, настолько неуклюжим, что все, кто писал о нем, не могли обойтись без анекдотов по этому поводу. В лабораториях его боялись как огня. Самый типичный пример — это известная история о том, как однажды в Геттингене, в Институте Джеймса Франка, произошел страшный взрыв. Причину взрыва установить не могли. А потом все объяснилось просто. Оказалось, что в момент взрыва через Геттинген проходил поезд, в котором ехал Паули. Поезд сделал короткую остановку. Несколько минут присутствия Паули в миле от института было достаточно для катастрофы. Показательно знакомство знаменитого Эренфеста с молодым Паули. После первых же минут беседы мягкий и деликатный Эренфест не удержался и сказал, что печатные статьи Паули понравились ему много больше, чем он сам. На что Паули немедленно ответил, что у него возникло прямо противоположное чувство.