Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Третья фундаментальная сила природы внутри атомов почти не проявляется, для этого она очень слаба (в миллиард миллиардов раз слабее электромагнитных сил), хотя с ней, несомненно, знакомы все – это сила тяжести. Как и электромагнитное, гравитационное поле дальнодействующее, но отличается тем, что вызывает только притяжение (электромагнитное поле вызывает также отталкивание). Конечно, между ядром и вращающимися вокруг него электронами есть слабое гравитационное притяжение, но оно настолько мало, что по сравнению с другими силами его можно не учитывать. Это не значит, что гравитационным полем можно вовсе пренебречь; оно важно хотя бы потому, что благодаря ему мы удерживаемся на Земле. Под действием гравитационного поля и Земля вращается вокруг Солнца.

Последнее из четырёх фундаментальных взаимодействий – слабое ядерное. Оно несколько сильнее гравитационного, но гораздо слабее электромагнитного или сильного. Слабое взаимодействие (как и сильное) очень короткодействующее, но оно в отличие от сильного проявляется редко, только в некоторых типах ядерных реакций.

В поисках сути

Современный научный метод – проведение экспериментов в лаборатории – был введён Галилеем. Благодаря этому методу он смог объяснить немало явлений природы, которые оставались загадкой в течение многих столетий. Позднее Ньютон ввёл в науку математику. Он показал, что движение тел можно описать формулами, что формулы – удобный способ краткой записи физических процессов. Ньютон продемонстрировал и магию своих формул. С их помощью можно не только определить, как вели себя и двигались частицы и тела в прошлом (если известно, какие силы на них действовали), но и предсказать, что с ними случится в будущем, сколь угодно далёком.

Однако самым важным достижением Ньютона было введение понятия теории. В основе теории лежат несколько основных законов, на базе которых можно делать различные предсказания. Теория движения Ньютона, известная под названием ньютоновой механики, основана на небольшом числе простых законов, из которых можно вывести любые типы движения.

Вскоре после того, как Ньютон предложил свои теории, стали появляться и другие; представления об электричестве и магнетизме спустя много лет выкристаллизовались усилиями Максвелла в теорию электромагнетизма. В те же годы была сформулирована теория теплоты. Теперь все они называются классическими теориями.

Для своего времени теория Ньютона была превосходной. Она объясняла почти всё, во всяком случае многое, в устройстве Вселенной, доступной нашим органам чувств. В ней воплотились многократно проверявшиеся взаимосвязи, а сама теория отличалась удивительной простотой. Это, по мнению большинства учёных, весьма важно – любая теория должна основываться на небольшом числе постулатов, и чем их меньше, тем лучше. Более того, всякая теория должна допускать проверку опытом, и, естественно, классическая теория удовлетворяла этому требованию.

Но так как теории создаются людьми, они несут на себе печать недостатков своих создателей. Бывает, что новая теория поначалу только кажется значительным достижением, но скоро от неё приходится отказаться. Любая теория распространяется лишь на ограниченное число явлений. Если многие эксперименты подтвердили справедливость теории в каких-то пределах, то её можно безбоязненно применять в этих рамках, необходимо только внимательно следить, чтобы их не перешагнуть.

Именно так обстоит дело с классической теорией. Объекты обычных размеров, движущиеся с привычными скоростями, удовлетворительно описываются классическими законами движения, но стоило учёным попытаться распространить эти законы на атомы и микромир вообще, как оказалось, что тут классические законы не работают, что-то с ними было не так.

Тем не менее вера в классическую теорию была настолько велика, что на осознание пределов её применимости потребовалось довольно много времени. Часть этих пределов стала заметна ещё в конце XIX века, но большинству учёных они представлялись лишь небольшими недостатками, прорехами, которые без труда можно залатать. Один учёный на рубеже XX века даже публично заявил, что о Вселенной известно практически всё, т.е. обнаружены все основные законы. Он и не подозревал, что вот-вот в физике начнётся настоящая революция.

Первый революционный шаг сделал немецкий физик Макс Планк. Пытаясь исправить один из серьёзных недостатков классической теории, он в 1900 году понял, что требуется совершенно новый подход. Планк предположил, что излучение, например свет, испускается «порциями», а не непрерывно, как считалось ранее. Хотя сам он полагал, что лишь «заделывает дыры» в одном из уравнений классической теории, придуманные им «порции», или, как он их назвал, кванты, оказались чрезвычайно важны и вскоре заняли центральное место в описании микромира.

Здесь уместно отметить следующее. За несколько лет до этого было показано, что свет имеет волновую природу. Как же он может одновременно состоять из частиц – квантов? В 1923 году французский принц Луи де Бройль преодолел это затруднение – он ввёл представление о корпускулярно-волновом дуализме, причём не только для излучения, но и для вещества. Де Бройль показал, что взаимодействие электронов с излучением легче всего понять, если считать, что электроны ведут себя и как частицы, и как волны.

Поначалу эта идея показалась учёным абсурдной. Как электрон может быть волной? Но де Бройль принадлежал к королевскому роду, и открыто смеяться над его диссертацией, в которой содержалось такое предположение, было неловко. С другой стороны, как будет выглядеть комиссия, если после защиты выяснится, что это злая шутка? Казалось, ситуация безвыходная – диссертацию нельзя ни принять, ни отвергнуть. Тогда решили обратиться к эксперту – Альберту Эйнштейну, и каково же было всеобщее изумление, когда выяснилось, что идея ему чрезвычайно понравилась и показалась справедливой.

Эйнштейн не ошибся – в 1927 году Дэвиссон и Джермер из Соединённых Штатов экспериментально доказали, что электроны обладают волновыми свойствами. Направляя пучок электронов на кристалл, они наблюдали на экране картину из светлых и тёмных полос; такая картина могла получиться, только если электроны вели себя как волны. Позднее было показано, что частицы любого вида дают такую же картину – вещество действительно обладает волновыми свойствами.

Математическую форму представлениям о корпускулярно-волновом дуализме придали в 1926 году Эрвин Шрёдингер и независимо от него Вернер Гейзенберг. Но созданная ими теория отличалась от всех других – она была вероятностной. Из неё следовали не точные и строгие предсказания, а лишь вероятности происхождения тех или иных событий. Американские телезрители знакомы с такими вероятностными предсказаниями. Перед каждым большим праздником по радио и телевидению сообщают, что в выходные дни на автодорогах погибнут, скажем, около 700 человек. После праздников оказывается, что число жертв составляет действительно около 700. Конечно, невозможно заранее сказать, кто именно погибнет; точно так же квантовая теория позволяет предсказать, что три атома из десяти в ближайшие 10 минут претерпят радиоактивный распад, хотя не даёт возможности узнать, какие именно.