Глава первая

Рентген не признает электрона. — Нелепость или мудрость? — «Теперь я знаю, как выглядит атом!» — Через полчаса после рождения ядра. — Это было невероятно… — Великая трезвость Резерфорда. — У физиков не было выбора. — Спасение «обреченного атома». — «Отчего у вас голос зеленый?» — Отчаяние великих. — Единство природы.

1

В жизни физического института Мюнхенского университета были годы, когда слово «электрон» там не разрешалось произносить.

Некогда Лютер в гневной проповеди сказал о Копернике:

— Какой-то дурак хочет извратить все искусство астрономии…

Хотя идут века, церковь не очень меняется. Да и с чего бы: она делает вид, что владеет «вечными истинами». И если бы в наш век электрон попал за «извращение всего искусства классической физики» под церковный запрет, кто удивился бы этому? Но тогда и рассказывать про такой невероятный случай не стоило бы: он не был бы невероятным.

Нет, на сей раз единомышленники Лютера или папы римского были ни при чем. Запрет исходил от Рентгена!

Да-да, от Вильгельма Конрада Рентгена. Это представляется тем более непостижимым, что открытое им излучение порождали именно электроны, тормозившиеся в веществе. Но самое поразительное в рентгеновском запрете — не сомнения великого физика, а то, что этот запрет длился годы — даже целое десятилетие. И какое десятилетие!

Разные периоды в жизни науки, как тела с разными скоростями, обладают «собственным временем». Надо вспомнить, что на рубеже прошлого века и нынешнего каждый год делал эпоху в истории физики. Рентгеновские лучи… Радиоактивность… Радио… Кванты… Теория относительности… И в ряду этих свершений — открытие электрона.

То была заслуга выдающегося ученого с добрым именем, которого многие современники — и близкие и далекие — чаще всего называли просто Джи-Джи. Джозеф Джон Томсон открыл электрон. (Кстати сказать, он был первым, кто в Англии глубоко оценил способности новозеландского юноши — будущего первооткрывателя атомного ядра — Эрнеста Резерфорда, прибывшего в 1895 году из-за океана в старинный университетский Кембридж, где Томсон был профессором и руководителем Кавендишевской лаборатории.)

Академик Капица советует своим сотрудникам не лазить по библиотечным полкам в поисках путей для решения новых проблем. Надо самому постараться найти верный путь, а потом уж изучать литературу вопроса. Такие наставления редко слышат ученики от своих учителей. Капица слышал их от Резерфорда, Резерфорд — от Томсона.

Это «закон самостоятельности». Он помог Джи-Джи в 1897 году поставить опыт бесспорный и простой: в установке, отдаленно напоминающей современную туманную камеру Вильсона, незримые электрические заряды, запеленатые в зримые капельки тумана, падали редким облаком, влекомые вниз полем тяготения. Томсон уже мог как бы считать электроны!

Тогда они еще представлялись физикам заряженными шариками. И в то великолепное десятилетие экспериментаторы разных стран разными способами независимо друг от друга определили и отношение заряда каждого шарика к его массе и самый заряд. У всех получились хоть и разные, но очень похожие величины. Можно ли было еще сомневаться в существовании электрона? Ученые вычислили и его возможный, конечно, не строгий, радиус: примерно 3·10-13 — три десятитриллионных дольки сантиметра! Физики оценили вероятные размеры самой малой «вещи», с какою дотоле приходилось иметь дело исследователям природы.

С тех пор прошло уже больше половины нашего проницательнейшего XX века, а величины заряда меньшей, чем у электрона, обнаружить не удалось. И меньшей массы покоя — тоже.

Разумеется, частицы света — фотоны — не в счет. У них, не умеющих, как мы помним, существовать в покое, совсем нет того неприкосновенного запаса массы, который у других частиц материи сохраняется во всех переделках — движутся они или покоятся… У электрона такой неприкосновенный запас есть, как есть он у протонов, нейтронов, мезонов. И вот за шестьдесят лет нашего века физики не обнаружили ни одной разновидности первооснов материи, из числа тех, что имеют массу покоя, у которых эта масса была бы меньше, чем у электрона.

Он самый легкий.

Тогда, на рубеже двух веков, физики еще не подозревали, что со временем будут открыты десятки других элементарных частиц. Даже термина такого не было в научном словаре. Электрон не назывался элементарной частицей, а только атомом электричества или единичным зарядом. И он оказался первым представителем еще неведомого, меньше чем атомного, мира — первым его глашатаем, голос которого явственно услышали физики. И случилось так, что самое малое было открыто самым первым!

Однако можно ли этому удивляться? Малость электронов позволила им сделаться самым массовым изделием экономной природы — предметом первой необходимости в ее деятельном обиходе. Легкость электронов определила их неутомимую подвижность, а заряженность при этакой малости массы наделила их неутомимой активностью. И то и другое помогло им стать обязательными участниками едва ли не всех физических событий, протекающих в макро- и микромирах.

Природа не окружила электроны никакими внешними оградами — не спрятала их в глубинах атомов, в недрах атомных ядер. Они всегда назойливо маячили прямо перед глазами экспериментаторов. Только их малость маскировала дробимость электричества; да ведь и до сих пор в языке науки и техники существуют образы, напоминающие о той давней поре, когда об электричестве говорили как о некоей непрерывной жидкости — «течет ток», «каскады усиления», «растекание зарядов»… Но еще Франклин, ловивший молнии на громоотводы, разоблачил в 1750 году эту маскировку. «Электрическая материя состоит из чрезвычайно тонких частиц», — сказал он уверенно. Тогда же, два века назад, Ломоносов пришел к такого же рода атомистическому пророчеству, размышляя о природе теплоты.

Когда Джи-Джи Томсон доказал существование атомов электричества, он назвал их «корпаслями» (примерно так звучало по-английски знакомое нам — «корпускулы»). Но это было уже лишнее слово: шестью годами раньше физик Джонстон Стоней заблаговременно окрестил единичный заряд электроном. И слово «электрон» сразу и навсегда вошло в интернациональный словарь науки, точно физики всего мира только и ждали того часа, когда оно будет, наконец, произнесено, и вот — дождались!

…А Вильгельм Конрад Рентген, человек, сделавший великое открытие, исследователь, который, по словам его ученика и сотрудника академика Абрама Федоровича Иоффе, «больше чем кто-нибудь из современников способствовал созданию новой физики нашего столетия — физики элементарных процессов и электронных явлений», не верил в реальность самого электрона. Упорно не верил — не верил вопреки очевидности, вопреки убежденности большинства своих выдающихся коллег по науке, вопреки неотразимым доводам собственных учеников.

Даже в обычной и вечной борьбе старого и нового, полной самых неожиданных происшествий, рентгеновский многолетний запрет на электрон — случай из ряда вон выходящий.

Как же найти для него объяснение?

2

Можно бы собрать коллекцию — «причуды гениев». Шиллер работал, опустив ноги в таз с водой. Толстой не признавал Шекспира. Вермеер скрывал, что он художник… Может быть, неверие в электроны было просто чудачеством Рентгена? Но тогда этим стоило бы интересоваться только биографам ученого, а не нам, увлеченным прежде всего биографией первой элементарной частицы.

Отпечаток личности Рентгена, конечно, лежит на мюнхенской истории с электроном. Тут чувствуются непреклонность сильного характера, его независимость и даже суровость.

Рентген не умел изменять своим принципам — научным так же, как и моральным. На исходе первой мировой войны, когда Германия голодала, друзья из Голландии присылали стареющему ученому масло и сахар. Но он считал недостойным личное благополучие среди всеобщего бедствия и, теряя силы от недоедания, все-таки сдавал голландские посылки для общественного распределения. Только когда дело стало совсем плохо и ему грозила смерть, он согласился на добавочный паек. Для себя и для других у него были одни и те же законы поведения. Он Признавал научную (Ценность лишь за солидными работами, вполне доведенными до конца. И потому свои собственные неоконченные труды завещал сжечь после его смерти. Воля Рентгена была приведена в исполнение. В огне этой жесткой суровости сгорели я незавершенные работы Иоффе, начатые вместе с учителем.

Нет, чудачества были чужды этому последовательному и строгому человеку. Примириться с электроном ему мешала Не вздорность натуры, но научное миропонимание. А черты характера, какие придавали железную цельность и немного пугающую красоту его нравственному облику, только наложили на это миропонимание печать аскетической нетерпимости. Оттого-то непризнание стало запретом.

Правда, у Рентгена была одна сугубо личная причина относиться с недоверием к электрону: среди приверженцев томсоновского открытия был известный в свое время, уже упоминавшийся на этих страницах, физик Ленард. Рентген не Мог и не хотел ему доверять. Ленард мечтал, чтобы лучи назывались ленардовскими, а не рентгеновскими. У него было для этого лишь одно основание — он тоже мог открыть их в своих опытах. И это было верно: мог… Но не открыл! Не услышал и не понял тихого голоса природы. Можно легко представить себе, что значило для неподкупно честного Рентгена обвинение едва ли не в плагиате. Имя Ленарда стало для него синонимом всего дурного и нечистого в науке. Эта тень пала и на электрон… А что касается Ленарда, Рентген не ошибся в оценке этого своего соотечественника. Много лет спустя Ленард стал обыкновеннейшим фашистом — это он устраивал травлю Эйнштейна и называл теорию относительности «еврейскими Штучками». Подлость, видимо, не бывает случайной и одинокой. Ленард старался не зря: в 30-х и 40-х годах в фашистской литературе по физике (да-да, существовала такая литература!) рентгеновские лучи все-таки были переименованы в «лучи Ленарда». Рентгена уже не было а живых, иначе он сказал бы: «это следовало предвидеть…»

Рентгеновский запрет на электрон трагичен. Все дело в том, что физическое миропонимание Рентгена не годилось для той эпохи в истории физики, которую он сам невольно зачинал. Его открытие принадлежало будущему, а научные принципы — прошлому. Выпускнику Петербургского технологического института Иоффе не было и двадцати трех лет, когда он, преданный новым идеям в физике, появился в Мюнхене и, став учеником Рентгена, со всей молодой решительностью нарушил запрет: он начал в ежедневных разговорах с учителем «бороться за электрон». Он оспаривал убеждение Рентгена, что атом электричества — «недоказанная гипотеза, применяемая часто без достаточных оснований и без нужды».

Без нужды! — вот что было, пожалуй, главным, — без нужды! В представлении ученых старой школы физическая картина мира могла быть нарисована или дорисована без такой подробности, как электрон. Во всяком случае, она еще могла без него обойтись. Нам сейчас нелегко это понять. Но попробуем.

Две с лишним тысячи лет назад о подобных вещах уже спорили герои Платона в его знаменитых «Диалогах».

— Если мы хотим заниматься астрономией, — говорил Тимей, — то нам незачем интересоваться небесными телами!

Нелепость? Нет, скорее мудрость. Вынужденная мудрость! Это был отказ от исканий, которые ни к чему не могли привести. Наблюдению поддавалось только движение небесных тел, а не они сами, далекие и недостижимые. Ограничение задачи было утешением в беспомощности. Но это ограничение сделало астрономию наукой, с веками все более точно постигавшей законы перемещения небесных светил. Как само человечество, истинная наука всегда ставила и ставит — перед собой только принципиально достижимые цели.

Законы небесной механики не требовали никаких сведений о внутреннем устройстве самих движущихся тел. Силам, действующим между ними, совершенно безразлично, есть ли на Марсе марсиане, а на Луне вулканы. Даже сама природа сил притяжения не существенна для описания перемещений планет и звезд. Знать бы только, по какому закону изменяется величина этих сил! Помните ньютоновское: «Я гипотез не строю»?

Могущество классической механики кажется чудом: она в высокой степени точно вычисляла возможные движения масс во времени и пространстве, решительно ничего не зная ни о массах, ни о времени, ни о пространстве. Она интересовалась лишь количествами первого, второго и третьего — граммами, секундами, сантиметрами. Это было чудо абстракции, подобное чуду алгебры, которая пишет в своих уравнениях всяческие «а» и «h», «х» и «у», нимало не заботясь о том, сапоги ли это или звезды, отвлеченные числа или человеческие судьбы. «Рыжеволосый мальчик в две секунды выпил три океана, сколько океанов выпьет он за полчаса?» — математик только улыбнется, услышав эту бессмысленную задачу («почему рыжеволосый?»), но тотчас решит ее безошибочно.

Возможно ли это: безошибочно решить бессмыслицу? Возможно, потому что бессмыслица тут физическая, но как раз об этом-то математику и не. спрашивают, ее спрашивают лишь о связи количеств, а числам нет дела до того, что стоит за ними. Как рыжеволосый мальчик умудрился выхлебать Атлантику за две трети секунды и зачем ему это понадобилось, математик не знает и знать не обязан! Не его это забота и не для ответов на такие вопросы создавался могучий аппарат его науки.

В старших классах школы всем нам было так легко запомнить закон Кулона для взаимодействия двух электрических зарядов: он был точнейшей копией закона Ньютона для взаимодействия двух масс, а Ньютона мы, как и все человечество, «уже проходили, когда были еще маленькие…».

Классическая теория электричества стала в своем зените — во второй половине XIX века — такой же могущественной, как и классическая механика. Она прекрасно описывала электромагнитные явления — движения зарядов, распространение волн и даже кое-что сверх этого. Но как астрономии незачем было «интересоваться небесными телами», так этой теории незачем было влезать в природу зарядов. Они, конечно, интересовали ее, но не более чем механику — массы.

Однако природе чужда ограниченность — всякий раз историческая ограниченность! — изучающих ее наук. В любом эксперименте она отвечает не только на те вопросы, какие задают ей ученые по своему выбору. Они всегда спрашивают о чем-нибудь одном, а она, громко отвечая на главное, вполголоса сообщает еще и много неожиданного — непредуказанного той физической картиной мира, что рисуется, в момент опыта ученому и его науке.

Надо внять неясным намекам природы, когда она выбалтывает совсем не те тайны, какие готовился узнать исследователь. Это удается не часто, но именно так делаются случайные открытия. Иные из них оказываются исторически преждевременными. А иные приводят к внезапному, но уже не случайному расширению физической картины мира.

Так, Беккерель нечаянно открыл радиоактивность, ожидая от урановых солей ответа на «другой вопрос»: светятся ли они после облучения солнцем? Обнаружилось, что они и без этого засвечивают фотопластинку во тьме какими-то своими неведомыми лучами. Сам того не подозревая, Беккерель открыл внутриатомный сложный мир, которому не было заранее огорожено место в прежней классической картине природы.

Но классики, и среди них старый лорд Кельвин, тотчас попробовали на былой лад объяснить новое — ценою даже нелепых предположений, лишь бы уцелела уже многократно испытанная картина электромагнитных явлений. Атомы урана знаменитый Кельвин объявил какой-то особой загадочной ловушкой для электромагнитных Волн: когда они вырываются из ловушки, уран излучает.

Таково уж защитное свойство человеческого сознания — оно словно бы нарочно внушает идеям что-то — вроде инстинкта самосохранения. Этот инстинкт не просто преодолеть. Нас только всегда поражает, что даже самые сильные умы страдают той же болезнью, что и слабые. Впрочем, может быть, консерватизм стареющих великанов культуры объясняется тем, что это ведь они сами создавали то, от чего история потом предлагает им отказываться! Наверное, вдвойне нелегко соглашаться на такой отказ.

Так Рентген тоже нежданно-негаданно открыл свои лучи. Абсолютный слух тонкого экспериментатора помог ему услышать тихий лепет природы: он изучал электрический разряд в трубках с газом малого давления — изучал физические события зримые и броские, а внимание обратил на невидимые лучи, бесшумно исходившие от стенок зачехленного прибора. Сам того не подозревая, Рентген открыл сложный мир взаимодействия электронов с атомными ядрами. Этому миру тоже еще не было отведено место в прежней картине движущейся материи.

Точно предчувствуя, что электрону суждено будет «извратить все искусство классической физики», Рентген долго не хотел и слышать о нем… Наш академик Игорь Евгеньевич Тамм заметил однажды, что Эйнштейн всегда считал электрон «чужеземцем в стране классической электродинамики». Так думал и Рентген. Но Эйнштейна это радовало, а Рентгена смущало. Лишь через десять лет после первых работ Джи-Джи Томсона нарастающие успехи новой физики заставили непреклонного классика отказаться от старых предубеждений.

В 1907 году запрет был снят — молодой Иоффе все-таки вышел победителем из многолетнего спора, и «электрон получил права гражданства в Мюнхене», те права, какими он уже безраздельно пользовался всюду.

3

Электрон и фотон были первыми элементарными частицами материи, которые стали известны людям. Вместе они открывали XX век — неистовый, стремительный век естествознания.

Биография электрона гораздо короче, чем двухвековая, начавшаяся в ньютоновские времена история световых корпускул. Но бурных событий в этой биографии еще больше — недаром она целиком принадлежит XX веку. Судьбы частицы света и атома электричества стали в современной физике неразделимы: рука об руку шли они в борьбе за новую физическую картину мира.

Но их союз был подготовлен еще в недрах старой физики, когда ученые ничего не знали ни об электроне, ни о фотоне, когда перед их мысленным взором маячил только «неведомый заряд неведомого электричества в неведомом эфире», как говорил Ленин. Помните, свет представлялся им бегущими вибрациями эфира, которые порождаются колебаниями зарядов… Другими словами, электричество и свет уже тогда породнились. Новые идеи и знания не возникают в науке вдруг. Все подготовляется исподволь, зреет и ждет своего часа.

С открытием электрона дождался своего часа атом!

Вначале никто не подозревал, какая великая битва идей разыграется на крошечном атомном плацдарме. Она длится и сегодня. И занавес уже никогда не будет опущен. А впервые приподнялся он так…

Хотя и давно высказывались предположения, что атомы делимы и даже представляют собою сложные миры, однако ни одной детальки, из которых могла бы сконструировать их природа, физики не знали. И вот появился электрон.

Конечно, всем и каждому было ясно, что из одних отрицательно заряженных электронов создать нейтральные атомы не сумела бы даже сама всемогущая природа. Но то, что ей наверняка пришлось использовать для этой цели электроны, стало несомненным: они высвобождались из любых тел при ионизации, они вылетали в виде бета-лучей при распаде радиоактивных элементов, они были всюду, где присутствовало вещество. И потому с момента открытия электрона началась безудержная конструкторская работа физиков по созданию правдоподобной модели реальных атомов.

Физики словно почувствовали себя сотрудниками самого господа бога, который решил смастерить на досуге вещественный мир, но из-за вечной нелюбви к естественным наукам» не захотел возиться с такой мелочью, как атом, и всю работу передоверил им, ученым-специалистам. Это сценка для Жана Эффеля.

— Господи, — сказали физики, — ты же пока ничего нам не дал, кроме электронов!

— А что вам еще нужно, дети мои? Только, пожалуйста, без жалоб на мои неисповедимые пути! У меня от одних философов третье тысячелетье мигрень…

— У нас тоже, — улыбнулись физики.

— К делу! — строго сказал босой бородач.

— Нам бы хоть какие частицы с положительным зарядом, господи! А то ведь атом не получится нейтральным. Да хоть парочку новых законов… — с надеждой сказали физики. — Может, продиктуете, отец?

Но всемогущий, чтобы скрыть свою немощь, возразил:

— Тогда зачем вы мне?

И физики ушли, предоставленные самим себе.

…Они хитрили: им для первых моделей атома вовсе не нужно было знать, «как выглядит» наверняка использованная природой для создания атомов положительная деталька. Довольно было убежденности, что такая «деталька» там обязательно существует, что, кроме электронов, в атоме есть заряды со знаком плюс. И о новых законах рано было говорить: надо было еще убедиться, что старые тут не пригодны.

Множество атомных моделей обсуждалось физиками в первое десятилетие нашего века. Всерьез начал эту конструкторскую работу сам первооткрыватель электрона Дж. Дж. Томсон, а в принципе завершил ее Эрнест Резерфорд.

Резерфордовская планетарная модель — Солнце-ядро и планеты-электроны — так наглядно повторяла строение солнечной системы, выглядела так естественно, так красиво и просто, что сразу завоевала сердца современников. Именно — сердца! И я нарочно сказал — не физиков, а шире — современников, потому что с самого начала нашего века интерес к таинственному устройству атомов был всеобщим. И всем хотелось, чтобы это устройство оказалось доступным пониманию и воображению любых смертных — таким, чтобы атомы можно было запросто нарисовать, чтобы о них можно было бы разговаривать не только зашифрованным языком науки.

Модель Резерфорда показалась как раз такой, как всем хотелось: сходство с солнечной системой всех покорило. И с того дня, когда эта модель впервые была описана в английском «Философском журнале» в мае 1911 года, ясные рисунки, изображающие атом, вот уже около полувека кочуют, почти не изменяясь, по страницам бесчисленных книг, приобщая читателей всех возрастов и любых профессий к загадкам микромира. И у каждого эти наглядные изображения атома вызывают то особое чувство удовлетворенности, какое мы испытываем всегда, когда истина становится нашим достоянием без тяжких усилий. Шутка сказать — атом! А смотрите-ка, мы все видим и, кажется, понимаем.

Но на протяжении всего протекшего с тех пор блистательного полувека атомной науки читатели, далекие от физики, не догадывались и, не догадываются, что так похожий на крошечную солнечную систему атом Резерфорда не мог бы и секунды просуществовать, будь он действительно на нее похож!

Однако атомы существуют. Они устойчивы. Настолько устойчивы, что жизнь их, как правило, длится не доли секунды, а скорее «доли вечности» — многие миллиарды лет. Об этом свидетельствует хотя бы непредставимо долгая геологическая история Земли. Огражденный от воздействий извне, любой атом может вообще существовать бессрочно. Бессрочно — это значит до тех пор, пока цело и невредимо его положительно заряженное ядро.

Но ведь и модель Резерфорда отражала правду микромира? Среди физиков она получила признание не по причине своей красивой простоты и наглядности, не из-за внешнего сходства с понятным устройством солнечной системы. Нет, она объясняла многие важные свойства атомов — их поведение. И Резерфорд не сочинил ее на досуге, а вынужден был к ней прийти.

Вынужден? Это кажется неподходящим словом, когда речь идет о поисках истины. Приход к ней всегда рисуется нам радостным событием: вот она, долгожданная, — можно, наконец, вздохнуть с облегчением и пот отереть со лба.

Резерфорд был действительно в прекраснейшем настроении, когда зимой одиннадцатого года вошел однажды в лабораторную комнату, где работал его ученик Ганс Гейгер, и своим громоподобным голосом объявил: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Но пота со лба он не отер, а Гейгер именно с этого дня стал «работать, как раб», по уже встречавшемуся нам выражению его учителя. Надо было до конца утвердиться в истине, что у атома есть маленькое, содержащее в себе весь положительный заряд и почти всю атомную массу центральное ядро (Солнце), вокруг которого по удаленным орбитам вращаются отрицательные электроны (планеты). В этой истине надо было сто раз утвердиться, потому что она была невероятной.

Ясной, наглядно ясной, и — невероятной!

4

Одно из решающих атомных открытий было сделано на простейшей лабораторной установке. Правда, в этой установке были две дорогие детали: препарат радия и листочек золота. Но в их дороговизне не физика была виновата…

Альфа-частицы, излученные радием, бомбардировали золотой листок. Одни проходили сквозь него, как через пустоту, не задевая атомов золота. Другие — отклонялись со своего пути, рассеиваясь на разные углы. В темноте слабо мерцали вспышки на экране из сернистого цинка, и каждая вспышка, где бы ни был поставлен экран, твердила об одном и том же: «Сюда прилетела отраженная альфа-частица». Этот экран служил третьей основной деталью установки. Она в самом деле была на редкость проста.

Иногда альфа-частицы возвращались почти точно назад. Таких частиц было мало, но они, несомненно, были!

Сотрудники приходили в лабораторию загодя, чтобы глаза привыкли к темноте: считать вспышки было главной заботой. Тем временем в ожидании начала очередного опыта физики потягивали чай и слушали рассказы Резерфорда обо всякой всячине. Ничего торжественного, ничего похожего на взволнованное предчувствие исторического открытия… Зато почти через тридцать лет ученик Резерфорда Чарлз Дарвин — внук великого Дарвина — говорил, как о замечательнейшем событии в своей жизни, о том, что ему посчастливилось присутствовать в манчестерском доме учителя «спустя полчаса после рождения атомного ядра».

А рождение ядра, в сущности, свелось к тому, что Резерфорд вдруг понял, отчего иные из альфа-частиц возвращаются назад — так, словно бы атомы золота отталкивают их от себя. Впрочем, он понял это совсем не вдруг.

Позже он рассказывал, как поразили его воображение эти возвращающиеся от тонкого золотого листка, летящие с громадной скоростью альфа-частицы: это было, по его словам, так же фантастически непонятно, как если бы он увидел, что пуля возвращается назад к ружью, оттолкнувшись от бумажной мишени.

Однако внезапно ему вспомнилось то, что он читал о кометах. «Может быть, — подумал он, — эти альфа-частицы пролетают мимо встречного атома, как стремительные кометы мимо Солнца?» Испытывая могучее притяжение нашего светила, кометы огибают его и не уходят в мировое пространство, а снова появляются «по сю сторону» Солнца. Они возвращаются.

Но отчего же атом золота притягивает пролетающую вблизи альфа-частицу? Сил тяготения между их ничтожными массами было бы для этого слишком мало. Наверное, эти тельца взаимодействуют электрическими силами притяжения. Альфа-частица заряжена положительно — это твердо установил в начале века сам Резерфорд. Значит, надо признать, что атом золота заряжен отрицательно. Однако столь же надежно и гораздо раньше было установлено, что любой атом нейтрален!

Можно было, конечно, соблазниться наивной, так хорошо нам знакомой механической картинкой: маленький твердый шарик ударяется о большой и отскакивает назад. Математически можно было даже попытаться именно так описать рассеяние легких альфа-частиц тяжелыми атомами золота. Но физически уже было ясно, что никаких твердых шариков нет: атомы — сложные миры, а не «кругленькие штучки», накатанные из материи, как из теста.

Образ кометы не покидал Резерфорда. «Что, если возвращающаяся альфа-частица не просто пролетает вблизи от атома, а вторгается в атомное пространство, как комета вторгается в пространство солнечной системы?» — подумал он. Комета ведь, как правило, не «чувствует» в своем полете влияния сравнительно маленьких планет. Ее путь определяется притяжением только массивной сердцевины солнечной системы — самого Солнца.

Наверное, и нейтральный атом неоднороден. Уж не устроен ли он так, что положительные и отрицательные заряды в нем не перемешаны равномерно, а разделены большими расстояниями? Почему бы не допустить, что заряды одного знака сосредоточены в одном месте и образуют притягивающее атомное Солнце, а заряды другого знака, как атомные планеты, движутся где-то вдали? Тогда для вторгшейся в атомное пространство альфа-частицы атом действительно уже не будет нейтрален. Частица будет реально «чувствовать» заряд сердцевины атома, как комета «чувствует» массу Солнца.

Судя по рассказу профессора Ива, близко знавшего Резерфорда, именно образ кометы помог родиться образу атомного ядра. Об этом почему-то обычно не вспоминают. А напрасно: тут с прозрачной ясностью видно, как в рождении: новых научных идей участвуют вместе и строгая логика и поэтическое воображение. Они не враждуют, а помогают друг другу.

Не только чудо возвращения пули от мишени к ружью, но и вся картина рассеяния альфа-частиц золотым листком наводила на мысль о существовании в глубинах атома массивного заряженного ядра! Однако надо было еще решить, какого знака заряды сосредоточены в сердцевине атомного пространства? В мае одиннадцатого года весь ученый мир уже знал из статьи в «Философском журнале», что ядро положительно, а отрицательные электроны вращаются по периферии атома. Но еще в феврале Резерфорд думал, — и писал об этом в письмах, — что ядро заряжено отрицательным электричеством.

Этого тоже почему-то обычно не вспоминают. И тоже напрасно: тут с такой же прозрачной ясностью видно, как наглядный образ, увлекая ученого своей простотой, может из верного проводника вдруг превратиться в предателя. Это ведь сравнение положительно заряженной альфа-частицы с кометой требовало, чтобы ядро ее притягивало. Притягивало, а не отталкивало! Потому-то воображению и рисовалось отрицательное ядро.

Сравнение неизвестного с известным превысило свои права. Образ кометы, огибающей Солнце, завел в тупик. В самом деле, электроны, снующие всюду, убедительно доказывали, что они участвуют в строении атомов и что атомы легче всего расстаются именно с ними, как осыпающиеся колосья со своими зернами. Но тогда, значит, эти-то отрицательно заряженные частички и движутся по окраинам атомной «солнечной системы». А если еще и сердцевина атомов отрицательна, то получается чепуха. Нет, заряд ядра должен был иметь знак плюс! Но тогда тотчас рушился образ притягивающейся кометы.

Это не огорчило Резерфорда: он понял, что альфа-частица может возвращаться назад и не обогнув встречного ядра, а напротив — она может, не дойдя до него, из-за сил отталкивания повернуть обратно. Расчет показал, что это столь же правдоподобно, как и кометное притяжение. Однако Резерфорд не успокоился, пока не соорудил на лабораторном столе большую модель отталкивания положительной альфа-частицы положительным атомным ядром.

Он укрепил на столе большой магнит северным полюсом вверх, а над ним повесил на длинном плетеном шнуре маленький магнит северным полюсом вниз. Когда этот магнитный маятник раскачивался, большой магнит отталкивал его назад совершенно так, как это «нужно было» Резерфорду.

В темной комнате Манчестерской лаборатории, где было открыто атомное ядро, побывало в одиннадцатом году немало ученых из разных стран. Один из них — крупнейший японский физик Нагаока — написал Резерфорду из Токио: «Мне кажется гением тот, кто может работать с такой простой установкой и собирать при этом богатый урожай, далеко превосходящий то, что получают другие с помощью самых чувствительных и сложных устройств».

Так родился планетарный атом.

И все-таки, хотя в Манчестерской лаборатории Резерфорда настроение царило прекрасное, вздоха облегчения не вырвалось ни у кого.

Отчего же? Отчего такая ясная и наглядная модель резерфордовского атома была в то же время невероятной?

Она противоречила классической физике — вот в чем дело. И это понимали в Манчестере все.

Нефизики думали, как раз наоборот: после «заумной» квантовой гипотезы Планка (1900) да еще теории относительности Эйнштейна (1905) показалось, что классическая физика взяла, наконец, реванш на атомном плацдарме. Ведь планеты движутся вокруг Солнца по законам, открытым Кеплером и Ньютоном. Так отчего бы и электронам не путешествовать вокруг ядра по тем же законам? Это ли не торжество классической механики! И смотрите, как все разумно в природе: большое и малое устроено одинаково! Такое философствование было соблазнительно. И ему, конечно, предавались домашние натурфилософы нашего века.

А между тем противоречие с классикой было крайне простым. И в то же время роковым.

5

Наш третий искусственный спутник Земли совершал 6858-й оборот, когда писалась эта страница. Он был еще полон сил и с прежней убедительностью доказывал могущество людей, подчинивших земное тяготение своей воле. Но каждый знал, что придет час, когда кружение спутника прекратится, его энергия постепенно растратится на неизбежное торможение в атмосфере Земли, и силы земного притяжения все-таки возьмут свое.

В сущности, весь полет спутника — медленное падение на Землю: эллипс его орбиты все сужается — спутник описывает скручивающуюся спираль. Виток за витком. В центре, или, лучше, в фокусе спирали, — Земля. (Сказать «в фокусе» — лучше, потому что эта спираль, вовсе не похожа на заводную пружину часов. Ее витки — эллипсы. И эти эллипсы не только сужаются от витка к витку, но еще и вытягиваются. Кривая падения спутника оказывается очень сложной, лишь отдаленно напоминающей обычную спиральную линию, но все-таки спиралевидной. Нам тут всего важнее, что спутник, тормозясь в атмосфере, падает на Землю в строгом согласии с законами классической механики.)

В согласии с этими же законами планеты вращаются вокруг Солнца по устойчивым орбитам: они летят практически без трения — путь их пролегает через пространство, почти лишенное вещества, и можно утверждать, что они не теряют когда-то приобретенной энергии.

И вот электроны в атоме Резерфорда. Казалось бы, они летят вокруг ядра в еще более выгодных условиях, чем планеты, на пути которых нет-нет да и попадаются крупицы космического газа. Электронам совершенно неведомо трение: они сами — единственное население внутриатомного пространства. Им бы кружиться и кружиться, не зная помех… Идеальные планеты — никаких потерь энергии в пути!

Но на свою беду, кроме законов Кеплера — Ньютона, они должны еще слушаться законов классической теории электричества: они заряженные частицы. От этого с ними происходят события, которые должны были бы превратить их из планет в падающих спутников, если только классическая теория движения зарядов всюду и всегда верна.

Эта теория, созданная в конце XIX века, утверждала, что любой движущийся заряд не может безнаказанно изменять свою скорость в пути — ни по величине, ни по направлению. Пока он, окруженный своим силовым полем, летит прямолинейно и равномерно, его поле покорно следует за ним. Но стоит ему повернуть в сторону, как поле «заносит». Заряд на поворотах как бы расплескивает энергию своего поля — он ее излучает! А границы, где кончался бы заряд и начиналось его поле, нет: они ведь нечто единое. Излучая, заряд теряет энергию своего движения. Вращение — это непрерывные повороты, непрерывное изменение скорости. Вы чувствуете последствия?

По классической теории электроны в атоме Резерфорда, вращаясь вокруг ядра, должны были бы непрерывно излучать энергию. Другими словами, терять ее. Противиться притяжению положительно заряженного ядра им становилось бы все труднее. Их орбиты все сужались бы, как у спутников, тоже непрерывно теряющих энергию, правда, не на излучение, а на трение об атмосферу. Путь электронов хоть и по другой причине и по другому закону, но тоже превратился бы в скручивающуюся спираль — на сей раз в точности подобную пружине, и они упали бы на ядро.

Атом перестал бы существовать!

Когда свободные электроны мчатся на карусели современных круговых ускорителей (в честь бета-лучей радиоактивных элементов такие электронные ускорители называются бетатронами), эти заряженные частицы действительно излучают электромагнитные волны. И чем выше скорость карусели, тем сильнее «заносит» поле, тем обильнее расплескивание энергии.

Конечно, это же происходит и с протонами в Дубне, В принципе тут никакой разницы нет — протоны тоже заряженные частицы. Только оттого, что они почти в две тысячи раз тяжелее электронов, потери на излучение у них до поры до времени не так заметны. Однако и тут эти потери неизбежны. И если частицы не врезаются в конце концов во внутренние стенки ускорительной камеры Дубенского синхрофазотрона, то лишь потому, что «пояски» электрического поля регулярно снабжают их все новыми и новыми порциями энергии.

Эти порции не только восполняют потери на излучение, а еще и позволяют частицам все больше увеличивать скорость вращения. Но вместе с возрастанием скорости возрастают и потери. И легко понять, что наступает момент, когда на возмещение одних только потерь уходит уже почти вся притекающая извне энергия. Тогда частицы перестают ускоряться… Так невольное и бесполезное испускание электромагнитных волн «на поворотах карусели» превращается, наконец, в неодолимое препятствие для доведения скорости заряженных частиц до световой.

Как упряма природа в своих законах! Она использует все, чтобы помешать частицам вещества приблизиться к заветному пределу — к скорости света. Она мобилизовала для этого не только свойства массы тел, не только свойства времени и пространства, но еще и свойства электрического заряда.

Атом Резерфорда — тоже карусель, планетная карусель. Но на ней к вращающимся электронам не притекает извне никакой энергии. И потому законы классической теории обрекали эти атомные электроны на неминуемое падение — на полное слияние с ядром. «Обреченный атом!» — так должны были бы назвать модель Резерфорда классики XIX века.

6

И все-таки Резерфорд был прав, когда сказал: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Он отважился на открытую ссору с классической теорией. И его отвага была тем замечательней, что он еще совсем не представлял себе, каким путем удастся выпутаться из беды. Он только был уверен, что удастся.

В другую эпоху и ученый другого склада, вероятней всего, испытал бы робость перед собственной идеей, раз ее так решительно и просто опровергает общепринятая теория. Но только что кончилось первое десятилетие XX века. Оно было отмечено такими глубокими революциями в физике, как гипотеза квантов и теория относительности. Дух новаторства витал в лабораториях первых физиков-атомников. И отвага Резерфорда была естественной, как отвага генерала, сознающего, что за его плечами — историческая правота. Такой видится эта смелость по крайней мере сегодня, издалека, через полвека, когда те давние подробности борьбы идей в науке о микромире — сомнения, споры, насмешки — уже размыты потоком протекшего времени.

Странно подумать, что в 1910 году, когда идея «обреченного атома» уже зрела в голове Резерфорда и предстоящий конфликт с классической электродинамикой уже отчетливо вырисовывался в его воображении, известный немецкий ученый Вилли Вин в одной беседе иронически сказал Резерфорду: «Англосаксы не могут понять теорию относительности!»

Надо же было адресовать это сомнительное умозаключение именно Резерфорду и как раз тогда, когда он уже различал сквозь туман дорогу в мир еще менее «понятных» физических представлений, чем те, какие принесла с собой теория Эйнштейна!

Защищаясь, Резерфорд рассмеялся. «Нет, почему лее, — примерно так ответил он Вину, — у нас, у англосаксов, более чем достаточно здравого смысла!» Заметьте: не фантазии, не смелости, а просто здравого смысла.

Всего чаще в книгах и очерках о научных открытиях перед нами проходят фигуры ученых-романтиков или ученых-мучеников. Мерилом внутренних достоинств этих прекрасных людей служат и вправду достойные восхищения человеческие черты — одержимость идеей, бескорыстие исканий, возвышенность мечты, пламенная самоотреченность… Словом, весь спектр романтических красок. Но ясная трезвость ищущей мысли не изображается почти никогда. Люди здравого смысла противопоставляются ученым-мечтателям, как существа низшего пошиба, как ползающие — летающим. Что же делать тогда с великой трезвостью Резерфорда — с ясной земной поэзией его мысли? Германская мечтательность Вилли Вина требовала, вероятно, восторженного постижения идей теории относительности — преклонения перед мистическим парением разума, которому только в озарении удается уловить относительность времени и пространства. А в эту же пору сам Эйнштейн, размышляя над расширением своей первоначальной теории — над природой всемирного тяготения, говорил Марии Кюри на прогулке в Альпах, что в общем-то он должен понять простую вещь: «Что происходит в падающем лифте?»

Космические глубины и — падающий лифт! Они, великие, каким-то образом действительно умели покидать ограниченный мир Земли, не отрываясь от ее почвы. И потому-то ответ Резерфорда Вину был так не романтичен: нужен только здравый смысл для постижения теории относительности, ибо она сама создана трезвой, безжалостно точной мыслью и простой необходимостью понять непонятное.

Эта же необходимость вынудила английского ученого трезво отважиться на ссору с классикой — без всякого страха перед возможными последствиями такой ссоры для будущего всей физики микромира. Он знал, что делает лишь первый шаг, и заранее предупредил критику классиков: «Вопрос об устойчивости предложенного атома на этой стадии не нуждается в рассмотрении…» Пока не нуждается! Вот и все. А там посмотрим.

Но пора для рассмотрения этого вопиющего противоречия с прежней теорией должна была наступить. И очень Скоро. Атом Резерфорда не мог оставаться обреченным. В 1911 году еще никто не знал, как вылезти из конфликта. Впрочем, не стоит утверждать это так уж категорически…

Один писатель изобразил великого англичанина уединенным искателем истины. Это смешное недоразумение, такое же смешное, как повальное причисление первооткрывателей к воинству романтиков или мучеников. Всю жизнь Резерфорд был окружен веселым интернационалом друзей и учеников — блестящим, шумным, смелым интернационалом одаренных ученых из разных стран. В шутку можно было бы сказать, что атомную физику нашего века делали и делают музыканты и теннисисты, лыжники и автомобилисты, яхтсмены и альпинисты… В известном биографическом справочнике «Кто-кто?» в ряду существенных сведений об ученых можно найти пункт «хобби» — неделовое пристрастие, увлечение на досуге, любимый отдых. Вы можете узнать, что у старика Джи-Джи Томсона это был теннис, а у молодого Капицы — мотоцикл и шахматы. У Резерфорда — гольф, у Эйнштейна — парусник и скрипка, у Тамма — альпинизм, у Гейзенберга, как у Планка, — рояль… Наш век многое изменил в старом типе ученого. Молодой атомной наукой занимались и занимаются люди не в строгих сюртуках и белых манишках. С фотографий смотрят улыбающиеся молодые лица, в которых чаще всего нет былой почтенной солидности и маститого самоуважения, а есть простота и доступность и какая-то, я бы сказал, необязательность живого выражения глаз, как у художников и спортсменов. Это и у русских, и у итальянцев, у американцев и французов, и даже у традиционно педантических немцев и традиционно сдержанных англичан.

В 20-х и 30-х годах, кроме одного из любимых сотрудников Резерфорда, Петра Леонидовича Капицы, в Кембридже работали такие видные советские физики, как Ю. Харитон, А. Лейпунский, К. Синельников…

А раньше, в 10-х годах, за несколько лет до первой мировой войны, как раз тогда, когда появился в науке «обреченный атом», среди других паломников из разных углов Европы, Америки, Азии стал бывать и работать в Манчестере молодой физик из Дании, имя которого в ту пору вряд ли кому-нибудь что-нибудь говорило. Однако Дарвин, узнавший о рождении «обреченного атома» через полчаса после того, как это произошло, утверждает, что уже тогда у двадцатишестилетнего датского ученика Резерфорда «подход к основным принципам физики был глубже, чем у остальных ученых». Эйнштейн впоследствии назвал молодого датчанина человеком «с гениальной интуицией и тонким чутьем», а плоды его интуиции — «высшей музыкальностью в области мысли».

Друг и биограф Резерфорда профессор Ив позже вспоминал: «Однажды в 1913 году, когда я был у Резерфорда дома, в комнату вошел юноша довольно хрупкого вида. Резерфорд тотчас увел его в свой кабинет. Жена Резерфорда объяснила мне, что этот юноша — из Дании и что ее муж очень высоко расценивает его работу. Не нужно удивляться — это был Нильс Бор!»

В самом деле, в поспешности, с какою Резерфорд увел своего копенгагенского ученика в кабинет, не заключалось ничего удивительного: им было о чем поговорить! Именно тогда Нильс Бор первым увидел путь спасения планетарной модели атома. Со временем этот путь привел к созданию механики микромира.

7

Ученые-естествоиспытатели всегда на стороне действительности. У них нет права сказать: «Тем хуже для фактов». Раньше или позже они приходят к добровольному признанию: «Тем хуже для теории» Физики поссорились с классической электродинамикой потому, что она поссорилась с атомом, Ее законы предсказывали одно, а он вел себя по-другому, Значит,"где-то на границах атома власть классических законов кончалась. Надежда на спасение планетарной модели могла заключаться только в том, что, быть может, у природы есть какие-то неизвестные законы, которым подчинила она внутриатомные электроны. Тогда этими-то еще неведомыми законами объясняется, почему устойчивы атомы.

Однако так ли уж обязательно было спасать модель Резерфорда? Не проще ли было просто отвергнуть ее и придумать другую? Нужно понять, что у физиков не было выбора. После того как они убедились, что все положительные заряды концентрируются в сердцевине атома — в тесном ядре, — у них уже не было выбора! В самом деле: для отрицательно заряженных электронов (а число их должно было равняться заряду ядра, дабы атом в целом был нейтрален) не оставалось другого места, как вдали от ядра. Представить, что электроны покоятся в отдалении от центра атома, было невозможно: тогда ядро немедленно притянуло бы их. Вообразить их в прямолинейном и равномерном движении было столь же нелепо: тогда они покинули бы пределы атома. Им надлежало двигаться вокруг центра по замкнутым орбитам, чтобы атом не распылился сам собой. И при этом двигаться довольно быстро, чтобы центробежная сила была в состоянии противоборствовать силе притяжения ядра. Образ планетной системы возник по необходимости: вы сами видите — выбора не было.

Но движение по замкнутым орбитам — это движение по кривым, движение с непрерывными поворотами, с неизбежным излучением, с потерями энергии, с неминуемым падением по спирали на неумолимо притягивающее ядро.

Можно было подвергнуть сомнению две вещи — или неумолимость притяжения, или неизбежность излучения. Однако сомневаться во взаимном притяжении положительных и отрицательных зарядов не позволяли ни опыт, ни логика. Опыт подтверждал это постоянно, начиная с той легендарной поры, когда древние греки натирали янтарь и притягивали натертой палочкой всякую мелкую всячину. Само понятие электричества пошло отсюда, потому что по-гречески янтарь — «электрон». Стоней только вспомнил это слово, когда решил в 1891 году дать название еще не открытому гипотетическому единичному заряду. А логика говорила: если нет притяжения со стороны ядра, тогда электроны — вольные птицы, тогда вообще нет атома и не из-за чего копья ломать.

Оставалось усомниться в неизбежности излучения. Вот этой неизбежности вовсе не требовала логика и ее не подтверждал опыт. На ней настаивала лишь старая теория. Логика говорила: если излучение неизбежно, то атом обречен, а так как он устойчив, то, очевидно, такой неизбежности нет. Опыт вопрошал: если излучение обязательно, то оно должно происходить непрерывно, но тогда отчего же спектры атомного излучения прерывисты? Отчего разные атомы дают разные цветовые наборы отдельных спектральных линий?

Дело в том, что атомы действительно излучают световую энергию. Мы живем в разноцветном мире. Мириады сигналов о маленьких актах преломления, отражения, излучения света приходят к нам со всех сторон, ото всех веществ. Нет смысла гадать, как выглядел бы наш мир, если бы все атомы на протяжении всей своей жизни непрерывно излучали свет: зрелище такого мира, сотканного из обреченных атомов, было бы кратко, как мгновенный промельк кадра на вдруг оборвавшейся киноленте.

Да, атомы излучают. Но совсем не так, как полагалось бы по прогнозам старой теории.

Нужно ли рассказывать, почему в гранях призмы возникает радуга? Световые лучи разной частоты электромагнитных колебаний по-разному преломляются призмой и, входя в нее параллельным пучком, выходят веером. Физики пропускают смешанный световой поток через узкую щель, он падает на призму, и за нею — на экране или на фотопленке — появляется веер изображений щели: каждый луч определенной частоты дает свою фотографию щели — узкую полоску. Это и есть спектральная линия. Когда в смешанном потоке присутствуют лучи любой длины волны, в спектральном веере уже нельзя различить отдельных линий — следуя непрерывно друг за другом, они сливаются в одну сплошную полосу, красную на одном конце и фиолетовую на другом. Они сливаются в радугу.

Так выглядит спектр непрерывного излучения. Но атомные спектры выглядят вовсе не так. Они пунктирны: на темном фоне фотопластинки выстраивается частокол из отдельных линий. Для каждого элемента — свой частокол, строго свой!

Задолго до открытия электрона физики стали собирать коллекции атомных спектров. Это были, говоря шутливо, документы к «Делу об атоме», хотя сам подследственный еще оставался неуловимым. Ученые сравнивали разные спектры, измеряли длины волн для каждой спектральной линии, искали и находили закономерности их чередования. Но не имели при этом ни малейшего представления о том, как рождаются спектры. Наш известный физик-теоретик Яков Ильич Френкель лет тридцать назад писал, что «недаром с легкой руки Эйнштейна эта область физики… получила несколько презрительное название зоологии». Спектроскопия была похожа на столичный зоопарк, где рассаживают по клеткам, живую тварь всех видов, подвидов, мастей, ничего не зная о происхождении самой жизни. Но эта зоологическая стадия неминуема в любой науке. В атомной физике она была только уж очень подчеркнуто выражена.

Истинная модель атома обязана была объяснить, наконец, происхождение спектров. Иначе, о какой же истинности можно было бы говорить? Не о второстепенных деталях в поведении атомов рассказывали спектры, а о самом главном — об излучении электромагнитной энергии из атомных глубин, о переходах этих сложных микромиров из одного энергетического состояния в другое.

Атом Резерфорда выдержал такое испытание на истинность. Провел испытание Нильс Бор.

8

Не слишком ли долго топтались мы на подступах к новым неклассическим идеям внутриатомной механики? Не забыли ли мы зарок — не влезать в подробности? Может быть, грех и был, но есть и оправдание: при знакомстве с наукою нашего времени, — хочется повторить это, — труднее всего поверить в обязательность ее странных представлений о многих вещах. Я не беру в кавычки слово «странных», потому что именно такими кажутся часто современные физические представления. И нередко у людей XX века возникает сомнение: быть может, все-таки это не сама материя устроена так странно, а только головы физиков? Чтобы рассеялись эти сомнения, надо хоть на минуту почувствовать себя свидетелем рождения новых физических идей — побродить хоть недолго у самых истоков реки Непонятного. Тогда легче увериться, что даже наиболее причудливые черты в физической картине движущейся материи выдумала и тонко прорисовала своим вечным пером сама природа, а ученые если в чем и повинны, то лишь в непредвзятой зоркости.

Ради того, чтобы сполна почувствовать это, стоило бы и еще потоптаться на подступах к самому трудному подъему в затеянном нами путешествии по миру элементарных частиц. Избежать этого подъема нельзя. Но нет, наша цель не карабкаться вслед за учеными, а только понять, что они-то не могли не преодолевать крутизны! Так надо по крайней мере закинуть голову и увидеть, что готовой дороги не было, надо хоть взглядом смерить высоту…

Начинался подъем полого.

Нильс Бор сделал самое естественное предположение: раз атомы устойчивы, значит есть в атомном пространстве пути, двигаясь по которым электроны вовсе не излучают — не теряют энергии и потому-то не падают на ядро.

Какие это пути — любые? Ясно, что нет! Если бы неизвестные законы атома запрещали электронам излучать энергию на любом пути вокруг ядра, атомы вообще никогда не испускали бы световых волн. А как же тогда спектры?

Откуда они берутся?

Факты и логика заставили Бора прийти к простой, но неожиданной идее: атом устроен природой так, что среди бесконечного обилия всех мыслимых электронных путей существует набор устойчивых орбит. Пока электроны вращаются вокруг ядра по этим орбитам, атом пребывает в неизменном энергетическом состоянии. На таких избранных путях электроны действительно ведут себя, как идеальные планеты: они движутся, не теряя энергии. И весь атом в таких устойчивых состояниях действительно подобен солнечной системе: планеты-электроны подчиняются законам классической механики.

А дальше эта идея уже сама повела воображение физика. Вот по какой-нибудь причине, до которой нам нет сейчас никакого дела, один из электронов сорвался со своей удивительной орбиты. Что с ним произойдет? Ведь запрет на излучение кончится? Конечно. Так значит теперь, теряя энергию, электрон превратится в спутника и станет по спирали падать на ядро? Да, станет падать. Однако еще вдали от ядра какой-нибудь очередной виток спирали сможет слиться с трассой другой устойчивой орбиты. Тогда, едва попав на нее, электрон тотчас снова перестанет излучать. Потеря энергии прекратится — прекратится падение. Атом придет в новое состояние устойчивости.

Это похоже на то, как если бы мячик спокойно катился по коридору, скажем, шестого этажа и не падал вниз, хотя земля его и притягивает. Но, угодив нечаянно в дырку, он уже избежать падения не смог бы. Однако его почти тотчас подхватил бы пол пятого этажа. Попав на уровень этого нижнего коридора, он уже снова начал бы спокойно катиться, не боясь падения, пока новая дырка снова не подвела бы его. Впрочем, и тогда ниже коридора четвертого этажа он сразу не провалился бы.

Так, одна за другой, этаж за этажом, следуют на разных расстояниях от ядра устойчивые орбиты Бора.

Что же получается? На орбитах действуют законы классической механики, а в пространстве между орбитами, где электрон излучает, вступают в силу законы классической электродинамики.

Вот отчего можно было сказать, что подъем на кручи новых идей начинался полого: казалось, Бор не вышел за пределы двух классических теорий, только каждой из них он отвел свое место. Однако это лишь казалось. Крутизна была уже тут как тут.

Наглядную картинку — шарик-электрон переходит по спирали с орбиты на орбиту — сразу пришлось отвергнуть. Она не могла быть верна! При таком переходе излучение электрона между орбитами снова должно было бы оказаться непрерывным: по мере сужения витков спирали он испускал бы световые волны все укорачивающейся длины. В спектре атомного излучения такой переход отразился бы размытой полоской: каждая длина волны дала бы свое изображение щели — непрерывно следуя друг за другом, линии слились бы в сплошной участок радуги, узкий или широкий — это уже не важно. А сплошных многоцветных полосок в атомных спектрах нет — есть только четкие линии определенной длины волны! Нет, примирение с классикой не могло состояться: классическая непрерывность движения опять вступала в противоречие с прерывистостью излучения атомов. (Недаром физики просили босого господа бога продиктовать им хотя бы парочку новых законов.)

Один неклассический закон Бор уже нащупал: у атомных электронов есть прерывистый ряд устойчивых орбит, у атомов — такой же ряд устойчивых энергетических состояний. Теперь надо было нащупать закон перехода из одного состояния в другое — закон излучения атома.

Раз плавного классического перехода быть не могло, в распоряжении логики оставался скачок. И Нильс Бор решился: он сказал — да, нужно признать, что электроны переходят с орбиты на орбиту не иначе, как скачками. Этого нельзя не признать, если только слушать голос природы, а не наставления старой теории!

А при скачке уже нет постепенной потери энергии на спиральном пути: все, что электрону предстоит потерять при переходе с одной дозволенной орбиты на другую, он теряет сразу — единым махом, единой порцией. И нет причин, чтобы при этом возникала многоцветная смесь электромагнитных волн разной длины. Естественно ожидать, что с каждой такой порцией атом исторгает излучение какой-то одной частоты колебаний — одного цвета. Это и подтверждает прерывистый вид атомных спектров.

Пройдя через призму, такая порция атомного света вся преломляется одинаково, и неоткуда взяться вееру. На фотопластинке появляется четкая линия, а не размазанная полоса. Так идеи Бора пришли к согласию с опытом.

Но в атомных спектрах не одна линия, а частоколы линий. Откуда они? Однако лучше спросить: о чем они говорят? Любая линия, взятая наугад, есть свидетельское показание о перескоке электронов с какой-то одной орбиты на другую., Множество линий свидетельствует о множестве возможных перескоков. И не просто возможных, а и действительно происходящих. Но это значит, что в атомах существует множество орбит, чем-то отличных одна от другой, так что разные переходы электронов сопровождаются потерями разных порций энергий. Разные порции — разные длины волн — разное преломление в призме — частокол линий в спектре…

Чем же отличаются эти устойчивые орбиты Бора, что их делает неравноценными? Неважно, какая у них форма: круги ли они, или эллипсы, или даже розетки. Важно только, что на разных орбитах у электронов разный запас энергии. Оттого перескоки и могут приводить к излучению: падая, какой-нибудь электрон теряет избыток энергии — то, что ему уже не нужно для устойчивого вращения на новой орбите.

Однако энергия атомного электрона принадлежит ведь всему атому. Электрон — его составная часть, его подданный. Электрон взаимодействует с атомным ядром. И когда он вращается по далекой от ядра орбите, ему нужно обладать большим запасом энергии, чем на близкой орбите: такой запас — единственное, что удерживает его вдали от ядра. Но этот запас — собственность всего атома. А так как природа разрешила электронам двигаться лишь по определенным орбитам, то, стало быть, она и атому разрешила обладать лишь определенными, а не любыми уровнями энергии, как говорят физики.

Прерывистый ряд разрешенных орбит… Прерывистый ряд разрешенных запасов энергии… Вот какие странные черты Проступили на смутной картине внутриатомной жизни, когда физики смогли, наконец, после открытия электрона пристально вглядеться в древнюю — «неделимую и простейшую» — крупицу материи. Но это было лишь началом неожиданностей.

9

Прерывистость состояний. Порции энергии. Скачки.

Что-то знакомое чувствуется за всем этим, не правда ли? Конечно! Тотчас вспоминаются кванты Планка и фотоны Эйнштейна. Сейчас от этого уже веет запахом истории — новой устоявшейся классикой самого XX века. Но в 1911–1913 годах молодому Нильсу Бору не пришлось копаться в своей памяти, чтобы вспомнить о порциях энергии и частицах света: они были спорной злобой дня, большинство физиков вообще не верило, что кванты существуют на самом деле, а не только в теории.

В ту пору даже слово «фотон» еще никем не было произнесено. Хотя это понятие Эйнштейн уже и ввел в науку в 1905 году, но слово еще не появилось. Со световой частицей произошла история, прямо противоположная той, что случилась с атомом электричества: электрон был сначала назван, а потом открыт, фотон был сначала открыт и лишь потом назван. Кванты света удостоились крещения — как настоящие частицы! — только через два с лишним десятилетия после своего рождения в науке. Фотонами их впервые назвал в 1926 году малоизвестный физик Н. Льюис.

Бор заглянул в самые глубины старого союза между светом и электричеством. Он увидел, что электроны и кванты света связаны родословными. Две первые элементарные частицы материи соединенными усилиями приоткрыли перед физиками ворота во внутриатомный мир. Бор заметил раньше других, что дорога больше не загорожена.

…Если не скучно, перелистайте страницы первой части этого рассказа и найдите то место, где шел разговор о скачкообразном рождении фотона. Теперь вы видите, что, по Бору, излучение рождается в атомном пространстве действительно скачками. Внутри атома, в одной из тех природных лабораторий, где может создаваться фотон, нельзя уследить за процессом его создания: атомы теряют энергию не постепенно, а сразу, и бессмысленно рисовать себе какой-то «период созревания» кванта.

Так хочется спросить: а сколько длится скачок с одного уровня энергии на другой? Что происходит с электронами в пространстве между орбитами? И что такое эти разрешенные орбиты, которые подхватывают электрон в его падении?

Конечно, физику можно задавать любые вопросы. Но в ожидании ответа стоит подумать, что каждый свой вопрос мы на самом деле адресуем природе. Она готова отвечать на все — можно еще раз повторить: у нее нет секретов. Однако мы бываем неосмотрительны в своем любопытстве. Природа вообще промолчит в недоумении, если полюбопытствовать, какова, например, толщина кванта? Можно растеряться, услышав: «Отчего это у вас голос зеленый?» Толщина кванта — то же, что цвет голоса: неизвестно, что имеется в виду. Но рядом с вопросами неосмысленными существуют вопросы преждевременные. Не то чтобы у природы не было на них ответа, нет, просто люди еще не умеют услышать ее голос.

Атом, каким его увидели Резерфорд и Бор, не мог удовлетворить любопытства, которое он сам возбудил в современниках. Это потому, что он t был лишь приближенной моделью реального атома. Но наука не двигалась бы вперед, если бы в каждой теории не оставалось темных мест.

Пожалуй, самым темным местом в атоме Бора были скачкообразные переходы атома из одного состояния в другое.

Почему такие переходы вообще происходят, понять нетрудно: всему в природе свойственно стремление к наибольшей устойчивости. А устойчивость тем надежней, чем меньше запас энергии в теле — в любой физической системе. Энергия — это как бы ее внутренняя взбудораженность, нерастраченная способность к активности. «Возбужденный атом» — тут эпитет взят словно бы из психологии или из беллетристики. Но это выражение давно стало физическим термином.

Когда в черенковском счетчике летит сквозь жидкость сверхскоростная заряженная частица, что она делает согласно тому представлению, что свет излучают при этом атомы среды? Она снабжает лишней энергией встречные электроны этих атомов. Она как бы перетаскивает атомные электроны на более высокие орбиты. На разрешенные орбиты, а не куда попало. («Куда попало» — это когда электронам передается так много энергии, что они вообще покидают атом, выходят из-под власти его законов и становятся свободными, оставляя позади уже не атом, а заряженный ион). Летящая частица оставляет у себя в тылу цепочку возбужденных атомов. И хотя на каждой разрешенной орбите электрон может вращаться устойчиво, не теряя приобретенной энергии, весь атом в целом постарается от непрошеного избытка энергии освободиться. И он это сделает! — великое стремление к наибольшей устойчивости неодолимо.

Электрон сорвется с высокого уровня и упадет «вниз» — поближе к ядру. Атом излучит свет.

В атомах любого вещества чем глубже падение, тем солидней излученный квант — тем выше частота череды одинаковых световых волн в фотоне. Как глубоко упадет электрон? Очевидно, по крайней мере до ближайшей из разрешенных природой орбит. А в атоме водорода, где возбужденный электрон вообще единственный, не упадет ли он прямо на ядро? Нет, еще до ядра ему встретится последняя на пути к ядру, ближайшая к центру атома, дозволенная природой орбита. Вот на ней-то электрон будет находиться на самом низком из разрешенных уровней энергии. Желанная наибольшая устойчивость будет достигнута.

Так получают в лаборатории атомные спектры — они и называются «спектрами возбуждения». Крупинка обычной столовой соли тотчас окрашивает пламя газовой горелки в желтый цвет: это возбужденные энергией пламени электроны атомов натрия буквально на наших глазах возвращаются в устойчивое положение. Множество различных квантов от разных натриевых атомов покидает крупинку, но среди них больше всего квантов желтого света. Для натрия — это кванты самого глубокого падения электронов. И мы убеждаемся в этом даже без спектрографа. А чуткий прибор показал бы на фотографии еще и другие, более слабые линии натрия — линии других возможных перескоков.

Что же темного в квантовых скачках? Казалось бы, напротив — все выглядит так геометрически зримо, что, честное слово, хотелось бы навсегда закрепить в физической картине микромира этот тонкий рисунок — паутину орбит вокруг ядра и легкие перескоки почти невесомых электронов. В пространстве боровского атома и вправду царила «высшая музыкальность»: там словно бы воочию было видно, как на струнах расчисленных орбит «природа играет спектральную музыку». Так писал об атоме Бора не легкомысленный и восторженный поэт, а строгий теоретик Зоммерфельд.

Но музыка длится во времени, и звуки льются в пространстве. Все в природе длится и простираетсяI А квантовые скачки?

10

Нам, исповедующим диалектический материализм, понятие скачка представляется совершенно естественным. Смущает ли кого-нибудь разговор о скачкообразных процессах в истории человечества? Мы свыклись с этим, хотя процесс — непрерывное течение событий, а скачок — нарушение непрерывности, и, казалось бы, одно исключает другое.

Нет, не исключает, потому что «непрерывность» и «скачок» относятся тут к разным вещам. Непрерывность — к календарному ходу жизни, к не знающей перерывов смене дней и ночей, работы и сна, бурь и затиший. А скачок — к внутреннему содержанию, к изменению качества и смысла по-прежнему непрерывно длящейся жизни общества и людей. Революции — скачки в истории, но вместе с тем они — непрерывные цепи событий. И потому у каждой революции есть собственная — история, которую можно описать во времени и пространстве.

Квантовые скачки в природе — нечто совсем другое. Каждый скачок — событие, которое уже нельзя разложить на звенья отдельных физических происшествий. Когда атом переходит скачком из одного состояния в другое, то он не переживает никакой череды промежуточных состояний. Таких состояний нет — просто нет! Природа их не предусмотрела. Тут зияющий провал в непрерывности.

Если бы перескок электрона хоть как-нибудь внутренне членился на маленькие шажки, между разрешенными уровнями энергии располагались бы новые уровни — тоже ведь разрешенные, раз электрон их проходит! И «в спектре атома возникли бы новые линии. А их нет.

Но не только в этом дело. Пусть будут такие шажки. Тогда каждый из них — снова — или скачок, или последовательность — новых, еще более мелких шажков. Если продолжать такое дробление скачков, получится непрерывный переход с орбиты на орбиту. Излучение окажется непрерывным.

Мы придем к тому, с чего начались все трудности. Круг замкнется, и у нас снова не останется никакого выхода, кроме одного: вернуться к скачкам, признать, что они не изобретение Планка, Эйнштейна или Бора, а установление самой природы.

У квантовых скачков нет собственной истории — нет смены подробностей, которую можно было бы проследить. Есть начало и конец, а между ними нет процесса! Классической физике, видевшей в природе только непрерывные изменения, нечем было утешить исследователей. Квантовые скачки нельзя было ни «представить себе», ни отвергнуть. И сознание физиков долго тяготилось ими и противилось их внезапному вторжению в физическую картину мира.

В 1913 году, когда молодой Бор впервые сформулировал свои идеи, стареющий исследователь почтеннейший лорд Релей сказал на торжественном собрании Британской Ассоциации в Бирмингаме: «Люди, которым за семьдесят, не должны спешить с выражением своего мнения по поводу новых теорий». Однако сам он не удержался и поспешил заметить, что не верит, будто «природа ведет себя таким — странным образом», и добавил, что ему трудно принять квантовые скачки «в качестве картины того, что действительно имеет место в природе».

Но смущены и встревожены были не только старые ученые — «люди, которым за семьдесят».

Помните, как Макс Планк, с которого все началось в 1900 году, уговаривал молодого Иоффе очень осторожно обращаться с квантами и «не идти дальше, чем это крайне необходимо». Прошло десять с лишним лет, прежде чем Нильс Бор «увидел», как рождаются кванты в недрах излучающих атомов. Потом прошло еще десятилетие, а Планк по-прежнему не решался поверить до конца в свое собственное детище. Он писал в 1923 году, что переход атома из одного устойчивого состояния в другое все-таки «ни в коем случае не может иметь скачкообразного характера…». Но даже в теории он, конечно, ничем не мог заменить скачки. Ну, а заменить их чем-нибудь в природе — это вообще не во власти физика.

А Эйнштейн? Вы думаете, его бесстрашная мысль совершала по развалинам классических теорий прогулки легкие и беззаботные?

«Я, должно быть, похож на страуса, который все время прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам», — так писал он гениальному французскому физику Луи де Бройлю, с чьим именем мы скоро встретимся вновь. И писал не в начальные времена создания теории световых частиц, не в пору ранних своих исканий, а в 1954 году, когда кванты-фотоны, им самим введенные в науку, имели уже позади полувековую историю — громкий список побед в объяснении физических фактов и ни одного поражения!

А Эрвин Шредингер? Один из создателей современной механики микромира, он-то уж, наверное, смотрел на квантовые переходы, как на азбуку природы?

«Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я жалею, что вообще имел дело с квантовой теорией!» — так в отчаянии воскликнул Шредингер после многодневных бессонных споров с Нильсом Бором. А Бор ответил: «Зато остальные благодарны вам за это, ведь вы так много сделали для выяснения смысла квантовой теории…» Было это в сентябре 1926 года в Копенгагене, когда Бор миролюбиво пригласил так много сделавшего ученого прочитать там лекции по волновой механике. Эта волновая механика, только что разработанная Шредингером, была вариантом квантовой теории атомного мира. А рассказал об этом эпизоде Вернер Гейзенберг — создатель другого варианта той же микромеханики, и слова об отчаянии Шредингера принадлежат именно ему.

Да, кстати, а как же сам Гейзенберг — один из тех, кто открыл законы, которые ленивый господь бог отказался продиктовать физикам-атомникам? Может быть, ему, Гейзенбергу, чуждо было отчаяние Шредингера?

В октябре 1950 года он читал доклад в собрании немецких естествоиспытателей и врачей, посвященный знаменательной дате — пятидесятилетию квантовой гипотезы Планка. Доклад был торжественный, юбилейный, когда не вспоминают огорчений, причиненных юбиляром, а одни только радости, доставленные им. Может быть, оттого, что юбиляром был не человек, а теория, Гейзенберг не удержался: он вспомнил все тот же 26-й год — нескончаемые споры в маленькой комнате на чердаке Копенгагенского института. Споры начинались вечером и затягивались далеко за полночь. Спорщики переходили с чердака в квартиру Бора и принимались глотать портвейн, потому что… Потому что для спорящих сторон «дискуссии иногда заканчивались полным отчаянием из-за непонятности квантовой теории…»!

Значит, чувство отчаяния посещало и Гейзенберга и Нильса Бора? Да, даже Бора, который сам утешал Шредингера.

Так что, если и нас с тобою, терпеливый читатель, охватывает такое же чувство при столкновении с идеей квантовых скачков, то, право же, не стоит впадать в уныние и раздумывать о косном несовершенстве нашего слабого разума: видишь, плод познания был горек даже для великих! Но он все-таки слаще неведения.

Раз уж эта главка вся в свидетельских показаниях разрушителей классики, невозможно не привести в ней прекрасные слова, сказанные в 20-х годах одним из крупнейших наших ученых, имя которого уже не раз встречалось на этих страницах, — Сергеем Ивановичем Вавиловым:

«Современному физику порою кажется, что почва ускользает из-под ног и потеряна всякая опора. Головокружительное ощущение, испытываемое при этом, вероятно, схоже с тем, которое пришлось пережить астроному-староверу времен Коперника, пытавшемуся постичь неподвижность движущегося небесного свода и солнца. Но это неприятное ощущение — обманчиво, почва тверда под ногами физика, потому что эта почва — факты».

Удивительно только, что любому человеку для признания даже и бесспорных фактов нужно, чтобы они не покушались на его отстоявшиеся взгляды. Иначе и факты для нас не факты! Такова уж сила идей, в которых обобщен длительный опыт сознания.

— А разве идея непрерывности понятней идеи скачка? — сказал мне один физик, которому я надоедал разговорами о непонятности скачкообразных переходов. — Вот банка с детской мукой, на которой нарисована девочка с банкой в руках. На нарисованной банке —» снова девочка с банкой в руках, на которой нарисована девочка с банкой в руках. И так без конца… Это образ классической непрерывности. Так разве это понятней что нет последней девочки с банкой в руках, что эту волынку будто бы можно тянуть до бесконечности, уменьшая девочку до нулевых размеров?

В самом деле, если всерьез задуматься, то разве это понятней? И все-таки опыт сознания восставал и восстает против реальности квантовых скачков — против непонятных провалов в непонятной непрерывности, против наименьших — но не нулевых! — уровней энергии в атоме, против прерывистости ряда разрешенных природой состояний атомной «солнечной системы». А ведь девочка на банке, каким бы тонким грифелем ее ни рисовать, не сможет стать меньше той сотни атомов углерода, какая нужна, чтобы набросать ее контуры и контуры банки. Если мы захотим сделать эту девочку еще меньше, ничего уже не выйдет — нечем будет ее рисовать, просто нечем! А классическая идея непрерывности этого предела «не чувствует». Она не признает, что есть физические границы, за которыми уже не сможет уместиться никакая девочка с банкой в руках. Отчего же с этой классической идеей нам все-таки «легче жить»?

11

Классические образы в физике возникали и возникают на почве нашего «большого опыта», с изучения которого некогда началась наука. Но этот опыт —. лишь маленький участок на бесконечной шкале необъятного опыта природы. Так участочек видимого света — от красного до фиолетового — занимает лишь крошечный интервал на шкале всех возможных частот электромагнитных колебаний — от самых коротковолновых гамма-лучей до неограниченно длинных радиоволн.

По обе стороны видимого спектра есть у природы свои цвета, которых мы не различаем.

Фантазируя, можно вообразить себе гигантов, обитающих где-нибудь в глуши вселенной, которые видят радиоизлучение звезд и туманностей и с глубочайшим недоумением поглядывают в сторону нашей Земли с ее широковещательными станциями. Земля им видится единственным в своем роде источником радиорадуг над их головой. И если где-нибудь еще есть планеты или звезды с такой же высокой радиоцивилизацией, как у нас, эти гиганты догадываются о существовании иных населенных земель тоже по их странному «радиоцвету». Какие краски существуют на палитре художников того неведомого мира радиогигантов? Гадать бессмысленно — это не наши краски.

И с таким же успехом можно вообразить себе карликов из Галактики гамма-квантов с особым, решительно не похожим на наш, физическим опытом жизни. Академики из мира радиогигантов и гамма-карликов, вероятно, очень долго не могли бы найти общего языка с нашими земными учеными. И еще труднее им было бы договориться между собой. Но в конце концов договорились бы, потому что природа едина!

С открытием электрона и фотона физики вторглись в мир иных масштабов и иного опыта, чем тот, в котором, веками вырабатывали люди свои представления о движении материи. Для ученых этот иной опыт, конечно, явился неожиданностью. И потому был горек плод познания.

Но стоит повторить, что в природе этот новый для наших физиков микроопыт равноправно располагается на естественной шкале ее неограниченного разнообразия по соседству с земным макроопытом, как невидимая область ультрафиолета соседствует со спектром видимых лучей. И природа не поставила нигде грозного пограничного знака — «оставь по ту сторону свой земной опыт, здесь начинается микромир!».

Оттого-то даже непоследовательная, еще наполовину классическая модель Малой вселенной атома, построенная Резерфордом и объясненная Бором, смогла принести поначалу замечательные успехи физикам. Стало ясным происхождение прерывистых спектров и открылся смысл чередования элементов в периодической системе Менделеева: элемент следовал за элементом в порядке возрастания заряда атомного ядра, а поведение семейства самых далеких от ядра — наружных — электронов объяснило химические свойства элементов. Впечатление от этих успехов было огромно.

«Мы ожидали работ Бора, — рассказывал сравнительно недавно Гейзенберг, вспоминая пору своего студенчества, — по меньшей мере с тем же напряжением и с таким же пылом дискутировали о них, с каким сегодня ожидаются и обсуждаются последние известия из Кореи. Будучи студентами, мы в известной мере бессознательно ощущали, что и здесь, в работах Планка, Эйнштейна и Бора, разыгрывается кусочек мировой истории — правда, без заголовков в газетах и радиосообщений, но все-таки такой эпизод мировой истории, который должен был оставить свои следы на столетия».

Гейзенберг имел в виду мировую историю человеческого познания. Но, право же, не случайно пришло ему в голову сравнить тот давний интерес к отвлеченным исканиям теоретиков с недавним интересом к «последним известиям из Кореи». К середине XX века от былой отвлеченности изысканий физиков-атомников не осталось и следа. Он мог бы напомнить своим слушателям, что через 30 лет после появления основополагающей идеи квантовых скачков, в 1943 году, союзники увозили Нильса Бора из оккупированной немцами Дании тайком, как величайшую «военную ценность». Его переправляли через Северное море в бомбовом отсеке боевого самолета и, как всякую военную ценность, которая не должна достаться врагу, предполагали одним движением рукоятки сбросить в море, если гитлеровские истребители окружат и поведут на посадку бомбардировщик. Могла ли Нильсу Бору — «юноше довольно хрупкого вида» — пригрезиться такая перспектива в 1913 году, когда дал он первую расшифровку квантовых законов атома! Он еще не знал, как станет звучать со временем невинное слово «атомник»!

Мировая история познания природы и просто мировая история никогда еще не переплетались столь тесно, как в нашу эпоху.

12

Начиная с 1913 года целое десятилетие совершала свое победное шествие теория Бора, хотя ее двойственность была всем ясна: вращение по орбитам уподобляло электроны в атоме классическим планетам большого мира, а квантовые скачки навсегда уводили из этого мира. И временно оправдывало такую двойственность только понимание того, что между Большой и Малой вселенными нет и не может быть пропасти.

…Представьте себе высоченную лестницу, но такую, что ступеньки ее становятся с высотой все ниже. Тогда — чем дальше вверх, тем они делаются неразличимее, а лестница менее крутой. Постепенно она превращается в пологий пандус — гладкий въезд, какие бывают под театральными колоннадами. И вот сверху катится мячик. Сначала на ровном спуске он непрерывно меняет свою скорость, не замечая слившихся воедино ступенек. Но потом начинаются вынужденные перескоки со ступеньки на ступеньку — сперва едва заметные, затем все более резкие, оттого что ступеньки делаются все круче. Повиснуть меж ступенек мячик не может — это ясно.

Разрешенные природой уровни энергии в атоме — такая лестница. И в положение мячика попадает свободный электрон, когда из большого мира он переходит в малое атомное пространство. А встречи вольных электронов с «обломками» атомов — с ионами или голыми ядрами — происходят всюду: в воздухе, в камере Вильсона, в любом веществе. Электрон попадает под власть ядерного притяжения, и непрерывная смена состояний по классическим законам постепенно переходит в смену состояний по законам квантовым — в скачки по лестнице, которая перестает быть пологим пандусом. И наоборот, когда электрон покидает атом, скачки со ступеньки одного разрешенного уровня энергии на ступеньку другого уровня постепенно превращаются для электрона в непрерывный подъем по гладкому пандусу слившихся ступенек. Из-под власти квантовых законов электрон незаметно въезжает во власть законов классики.

(Так дубенский протон, постепенна наращивая скорость, неприметно въезжает в область, где начинают явственно чувствоваться законы теории относительности, а область, где еще справедливы законы Ньютона, остается позади.)

Такую постепенность перехода от микромира к большому миру Нильс Бор назвал принципом соответствия. Этот принцип яснее ясного показывает, какой глубокий и непростой физический смысл таится за нашей простой и столь же глубокой убежденностью, что природа едина.

И не нужно искать объяснения, почему в естествознании извечно сопутствуют друг другу два ряда прямо противоположных событий: с одной стороны — ветвление наук, а с другой — их слияние. Все подробней становится знание — оттого и ветвятся науки. Но все наглядней делается единство природы — оттого и слияние. В наши дни наглядней, чем когда-либо прежде. Астрономы занимаются радиохимией, потому что период полураспада одной из разновидностей зауранового элемента — калифорния — возбуждает надежду понять важные явления, происходящие в космосе… Физики-теоретики изучают биологические проблемы наследственности: так, этими проблемами увлечен сейчас Игорь Евгеньевич Тамм, — потому что проникновение современной науки о микромире в область генов и хромосом обещает решение вечной загадки передачи наследственных признаков из поколения в поколение… Наш химик Н. Эмануэль читает в Институте физических проблем на семинаре академика Капицы доклад о попытках найти новые методы изучения рака, потому что законы цепных химических реакций «неожиданно» позволяют проникнуть хотя бы в некоторые закономерности роста и подавления злокачественных опухолей. Метеоритчики обращаются к сейсмологам, химикам, специалистам по ядерным взрывам за помощью в раскрытии старой тайны Тунгусского метеорита, потому что… Да все потому, что природа едина!

И какое скучное непонимание природы скрыто за чиновничьей обороной иных — из наших биологов, которые безнадежно противятся благому вторжению современной физики в их науку! И скучнее всего, что эти домашние натурфилософы, о которых мы уже вспоминали, основывают свою оборону на пустой убежденности, будто биологические законы недоступны анализу никаких других наук. Они верят, что защищают при этом диалектический материализм. Но неужто можно еще думать в XX веке, что изучение процессов жизни мыслимо без тех тонких знаний, какие добывает наука, все успешней углубляющаяся в самые первоосновы материи? Или жизнь это и вправду чудо, а не порождение общих закономерностей природы?! Физика не может увести биологию «не туда» — она может только привести ее к началу начал: к той природной микролаборатории, где неживая материя порождала и порождает жизнь. «Я уверен, что конкретное понимание физико-химических процессов в организме в наибольшей степени будет способствовать установлению истинной природы… биологических закономерностей…» — сказал недавно академик Н. Н. Семенов. И показал, что об этом провидчески думал в свое время еще Энгельс.

В сущности, разве нельзя посмотреть на дело так, что каждая наука — только свод особых законов природы, открытых средствами именно этой науки? Но у природы есть еще и всеобщее законодательство, и не только философское, а и физическое, конечно, равно обязательное для всех. Из него-то и вытекают параграфы астрономического, химического, биологического и прочих особых кодексов в естествознании. И представьте, что ученым удается нащупать в своей частной области прежде неведомые проявления этих всеобщих законодательных установлений природы. Тогда разве не должны начинаться длительные революции в научных взглядах на мир? И разве не должны эти революции захватывать постепенно все области естествознания?

Квантовые скачки — из числа таких всеобщих законодательных установлений природы, открытых микрофизиками. И понятно, почему революция, начатая в нашем веке электронами и фотонами, продолжается по сегодня, не затихая: ей еще предстоит преобразить все природоведение.

 

Глава вторая

Наконец Бурбоны родили короля! — Мир утраченных траекторий. — «Только два физика решились на это…» — «Волны материи»? — Догадка, высказанная вовремя. — Встреча на Сольвеевском конгрессе. — Призрачная волнообразность Земли. — Мало ли что может пригрезиться теоретику!. — Квантовая модель солнечной системы.

1

Короли-алхимики. Что ж, это была не редкость в давние времена: помните нашу встречу с одним из Рудольфов Габсбургов? Но герцоги и принцы в качестве физиков, — да еще в XX веке! — право, это звучит почти неправдоподобно. Между тем…

В 1919 году, после затянувшейся военной службы, двадцатисемилетний принц (по-русски — князь) Луи де Бройль вернулся к мирным занятиям. Пойдя по стопам своего брата, известного исследователя рентгеновских лучей, герцога Мориса де Бройля (кстати сказать, иностранного члена нашей Академии наук), недавний военный радиотелеграфист начал готовить докторскую диссертацию по физике. Он работал в Париже, в прекрасной лаборатории брата на улице Байрона, но увлечен был не экспериментами, а теоретическими размышлениями. Они, эти размышления, не оставляли его и дома, где все дышало совсем другими традициями. Де Бройли бывали прежде только военачальниками, дипломатами, министрами. Воображению рисуется вековой сумрак старинного дворца, где память прошлого сильнее всего. Но диссертация де Бройля-младшего с традициями не считалась. Она вся была пронизана светлой идеей и поражала новизной.

Уж не решил ли он, кроме всего прочего, доказать, что и среди отпрысков королевских фамилий могут в конце концов появляться люди, достойные стоять в одном ряду с потомками бедных поморов (Ломоносов), провинциальных водопроводчиков (Гаусс), колониальных фермеров (Резерфорд)?.. Впрочем, нечто подобное еще раньше доказал русский князь Борис Голицын. К началу нашего века он сумел принести своему древнему роду совсем не княжескую, но вполне человеческую славу, став выдающимся физиком, основателем современной сейсмологии и предшественником Планка по квантовой теории теплового излучения. Однако род де Бройля подревнее голицынского и гораздо памятнее по истории: есть версия, что это какая-то боковая, идущая из Пьемонта ветвь династии французских Бурбонов: тут генеалогия не шуточная.

И без преувеличения можно заметить, что заслуги этого дальнего родственника бесчисленных Генрихов и Людовиков, заслуги его перед физикой микромира воистину царские. Впервые за девять столетий Бурбоны родили короля!

О нем будет написана когда-нибудь повесть. Сейчас материалы к ней накапливает еще сама история науки. И уже видно — это будет настоящая повесть: в научной деятельности и судьбе принца де Бройля есть что-то глубоко драматическое. Так по крайней мере чудится со стороны.

Трудно соединить понятия — революционность и старомодность. Но сейчас, спустя почти сорок лет после опубликования его якобинской диссертации, де Бройль представляется многим физикам «старомодным революционером».

Так, может быть, за минувшие десятилетия безнадежно устарела его первоначальная основная идея? Нет, она не умирает. Или, может быть, с годами он стал ворчливым противником других — новейших — идей? Нет, есть молодые физики, которые как раз сейчас ощущают его деятельную поддержку. Что же тогда случилось? Но подождите, допустима еще одна догадка: может быть, законсервировались именно те, кому он представляется ныне старомодным?

Это неожиданный вопрос. И трудный. Во всяком случае, тут дело особое. Тут история, мало похожая на обычное столкновение «старого и нового». Тут в духовной драме одного человека отразилась, если хотите, вся драма самой науки, одним из родоначальников которой он стал в тот час, когда в 1923 году опубликовал первые итоги своей еще не защищенной диссертации.

Драма науки? Возможно ли такое?

Эйнштейн в разговоре с Леопольдом Инфельдом, когда они вместе работали в 30-х годах над популярной книгой «Эволюция физики», воскликнул однажды: «Это драма, драма идей…» Эйнштейн знал, что говорил!

Квантовая механика микромира ушла далеко вперед от своих истоков, стала многоводной рекой, а де Бройль все возвращается в ее верховья, к началу начал — к собственным исходным мыслям. Он все заглядывает в их подводную глубину, словно на протяжении прошедших десятилетий что-то не давало ему покоя — что-то не раскрытое там, в верховьях, что-то не понятое до конца, не найденное или упущенное.

То, что он говорит и пишет в последние годы, проникнуто двойственным чувством: наука, в создании которой так велика и неоспорима его роль, ведет образцовую, полную непрерывных успехов жизнь, и это вызывает в нем глубокое удовлетворение: оно сродни отцовскому чувству; но вместе с тем что-то главное в этой науке ему не по душе, томит и огорчает, и заставляет думать, что в самом начале он не досказал «наследникам» каких-то решающе-важных напутственных слов. И потому-то возвращается он назад, чтобы снова там, в истоках первоначальных идей, попробовать отыскать неотысканное. А дети тем временем стали слишком самостоятельными и, по выражению де Бройля, «больше не хотят признавать своих родителей». Есть привкус горечи и, пожалуй, досады во фразе де Бройля, брошенной им совсем недавно — в 1956 году: «Авторы, пишущие сейчас трактаты по квантовой механике, почти уже не говорят о тех основных идеях, которые ее породили».

Откуда же этот привкус горечи? И это полуироническое слово — «трактаты»? И эта досада на авторов, забывающих первоистоки квантовой механики?

Не думайте, тут не в честолюбии дело. Тут действительно смута в душе ученого.

Когда-то верное чутье природы привело де Бройля к этим первоистокам. А потом та же его интуиция физика не согласилась признать правдоподобной картину микромира, которую с годами так искусно и математически изощренно нарисовала квантовая механика. Это спор с самим собой — самый мучительный из конфликтов, выпадающих на долю ученого. В этот спор стоит вникнуть, стоит его понять. Вы увидите, что это вовсе не личная беда де Бройля.

2

Мир утраченных траекторий! — вот как выглядит микромир в современной физике.

Земля летит вокруг Солнца по строго определенной орбите. Футбольный мяч поднимается в воздух и опускается на поле, прочерчивая невидимую, но в случае нужды точно определимую линию в пространстве. Сильная струя бьет из шланга, и в ее сверкающем изгибе запечатлены точные кривые полета капель воды. Все это — движения тел в макромире, перемещения по строгим траекториям. Мы в этом уверены. Мы уверены, что эти перемещения можно в принципе абсолютно точно рассчитать и надежно проследить их от точки к точке, от одного момента времени до другого. Законы Ньютона для малых скоростей, законы Эйнштейна для скоростей громадных позволят в каждом случае предсказать и заранее начертить линии движения планеты, мяча, водяной струи.

Мы не можем себе вообразить, чтобы окружающий мир был устроен как-нибудь по-другому! Ни один футбольный матч не состоялся бы, если б у мяча был капризный выбор непредвиденной линии полета. Нам представляется немыслимым, чтобы нельзя было в любой момент сказать с любою точностью, где находится мяч и куда он движется. Конечно, ответить на такие вопросы, покуривая в праздности на трибунах, нам крайне трудно, но если бы заставить заговорить центр тяжести этого мяча, он бы уж наверняка дал нам однозначные ответы! И скажи нам сосед по трибуне: «А знаете, это ведь не совсем так!» — мы только отмахнулись бы: «Не мешайте следить за игрой!» Правда, может быть, дома, по-» том, мы бы вспомнили, что у нелепого соседа был университетский значок на груди. Но и это не примирило бы нас с мыслью, что мы, оказывается, присутствовали на матче «несуществующих траекторий мяча».

А квантовая механика говорит нам, что именно таков мир атома — мир элементарных частиц. Она утверждает, что бессмысленно говорить об электронных орбитах в атомном пространстве. Она утверждает, что поведение «первооснов материи» вообще не подчиняется точным однозначным законам, Вот в это-то де Бройль и не поверил. Он попытался опровергнуть такой взгляд на микромир. Но из его опровержений ничего не вышло. Тогда он смирился. Двадцать пять лет продолжалось это смирение — двадцать пять лет он преподавал парижским студентам, как истинное знание, то, в чем сам никогда нс был уверен до конца. Преподавал, как все профессора-теоретики во всем мире. Но через двадцать пять лет — в начале 50-х годов — он снова восстал. Снова сказал: «Не верю!»

Мир утраченных траекторий казался математической выдумкой и физической нелепостью не ему одному. У него был союзник — Альберт Эйнштейн. С самого начала и до последних своих дней Эйнштейн не соглашался признать, что микромир таков, каким изображают его уравнения и неравенства квантовой механики. Точнее — не сами эти формулы, а их физическое истолкование, утвердившееся в науке. Как и де Бройль, он видел, что формулы верны, радовался их широчайшему подтверждению на опыте, восхищался сбывающимися предсказаниями новой механики. Однако, как и де Бройль, он полагал, что эта механика «не понимает» событий в микромире. Описывает их верно, но не понимает.

Какая физическая реальность скрывается за ее формулами — вот что хотел он знать.

Такой вопрос может показаться незаконным, раз опыт уже сказал свое решающее слово. Между тем это самый обычный вопрос в естествознании. И — самый главный.

…Ньютон. Закон тяготения. Простая формула для взаимного притяжения двух масс. Небесная механика. Точнейшие совпадения с наблюдениями над ходом светил. И — столетние споры: как устроен мир, в котором действуют силы гравитации? Что это за силы? Ведь если бы Земля вращалась вокруг Солнца на стальном тросе толщиной с земной диаметр, этот трос ее не удержал бы, он лопнул бы от перегрузки и Земля улетела бы в мировое пространство, как камень, сорвавшийся с пращи. Это подсчитал один физик, дабы ясно показать, как удивительна мощь тяготения, привязывающая планеты к Солнцу без посредства какого бы то ни было вещества. Так что же, массы плавают в пустоте? Через непостижимое ничто с чудесной мгновенностью действуют тела друг на друга? Математически ньютонов закон тяготения допускал это. Но можно ли было поверить в истинность такой картины природы — в такую физическую реальность?!

Квантовая механика, пробравшись в глубины атома, привела оттуда толпу новых физических загадок и непонятностей. Действительных и мнимых. Эйнштейн умер в 1955 году, оставив на полях трактатов по квантовой физике нестертые знаки вопросов, не доказав основательности многих одолевавших его сомнений и не опровергнув того, с чем не мог смириться. Помните его письмо де Бройлю о «гадких квантах»? Он написал его всего за два года до смерти.

Как раз в ту пору — в начале 50-х годов, кроме уже стареющего де Бройля, еще и молодые теоретики из разных стран выступили со своими попытками нового физического истолкования математических законов квантовой механики. Ими руководила та же надежда, что и де Бройлем, — надежда обрести в микромире утраченные траектории. И как некогда в 20-х годах, в эпоху рождения новой механики, академические аудитории и страницы научных изданий вновь стали в наши дни ареной споров «на старые темы».

Вообще-то говоря, эти споры никогда надолго не затихали на протяжении последних тридцати лет. Спорили физики и математики, философы и публицисты, люди дела и люди слова. Новизна открывшейся картины движения в Малой вселенной атома взбудоражила все умы. Но в этой непрерывной борьбе вокруг механики микромира, пожалуй, всего замечательней был именно духовный союз Эйнштейна и де Бройля, потому что никто из физиков не сделал больше, чем они, для самого зарождения новой механики с ее миром утраченных траекторий. Они дали ей первые идеи.

Так была ли неизбежность в появлении этого странного мира? Что лежало в начале начал?

3

Эйнштейн теоретически открыл, что у световых волн есть свойства частиц. Это произошло в 1905 году.

Де Бройль теоретически предсказал, что у частиц вещества есть свойства волн. Это произошло в 1923 году.

Косвенные, отдаленные, очень смутные и отнюдь не экспериментальные данные намекали учёным, что природа, быть может, снабдила материю во всех ее проявлениях симметрией этих противоположных свойств — волн и корпускул. В убеждении, что такая симметрия или равноправие существуют не «быть может», а на самом деле, и лежало начало начал.

«Для того чтобы рискнуть сделать этот вывод, требовалось так много мужества… что, по-видимому, только два физика — сам Эйнштейн и Луи де Бройль — решились на это». Так говорил известный теоретик Паскуаль Иордан — один из тех истолкователей микромеханики, которых де Бройль относит сейчас к разряду «авторов трактатов», забывающих своих идейных родителей. Тут, кстати, видно, что этот упрек не очень справедлив: столь смиренно и восхищенно не говорят о заслугах отцов неблагодарные дети.

«Эйнштейн долго вынашивал эту идею, не опубликовывая ее, — читаем мы дальше, — так как он не получил никаких результатов, которые дали бы возможность формулировать ее количественно». Де Бройль такие результаты получил. Он и вправду решился на шаг, редкий по мужеству даже в отчаянно-смелом естествознании нашего века.

…Обычно физические идеи возникают так: ученого загоняют в тупик необъяснимые факты — он предполагал, что кривая будет ползти вверх, а она опускается вниз; он не ожидал, что спектральная линия вдруг окажется почему-то раздвоенной; он заметил, что стрелки приборов систематически скачут без всяких видимых причин. Как понять непонятное? Может быть, выдвинуть предположение, что тут замешаны новые силы, или неизвестные частицы, или какие-то «дикие» законы природы? Но, наверное, эта догадка покажется коллегам нелепостью. А все же попробуем — посмотрим, не помогает ли она делу?.. Возникает рабочая гипотеза.

Ведь именно так, подчеркнуто-скромно, называл поначалу свою великую идею неделимых порций энергий Макс Планк. Он чувствовал робость перед ее революционностью — кванты посягали на слишком многое, а появились только для уяснения одной-единственной проблемы. Эта робость ученого перед необъятно широкими последствиями его собственной рабочей гипотезы — свидетельство совершенно конкретного «лабораторного» происхождения квантовой теории, доставившей впоследствии столько забот физикам и философам нашего времени.

Так всегда — необъяснимость или, вернее, необъясненность фактов дает толчок ищущей мысли физика. И опытное происхождение глубочайших идей не умаляет их величия. Но когда они рождаются в поисках выхода из лабораторного тупика, ищущая мысль в своем вольном полете все время испытывает спасительную поддержку в заранее установленных надежных фактах. Они не позволяют ей заблудиться. Маршрут полета неведом, трасса никем не проложена, но конечный пункт известен — он отмечен в дневниках экспериментаторов. И пустившийся в полет теоретик знает, где его ждут давно и нетерпеливо.

Так, Эйнштейн, заговорив в 1905 году о частицах света, имел ужен, сущности, совершенно надежное экспериментальное доказательство своей правоты: световые волны не всегда (вели себя как волны — они выбивали электроны с поверхности вещества на манер падающих градинок, а не порывов ветерка. Конечно, это надо было увидеть, понять, провозгласить! Но Эйнштейн проложил небывалый путь к уже обитаемому острову.

А бывает не так.

Вряд ли Менделеева ждали с цветами, когда он пустился на поиски периодического закона: незадолго до его блестящего успеха попытки англичанина Ньюлендса найти такой же закон были встречены издевательским вопросом со стороны почтенных британских химиков: «А вы не пробовали располагать элементы просто в алфавитном порядке?» Относительный вес многих атомов (во сколько раз они тяжелее водорода) был еще неточно измерен, чуть не треть элементов вообще не была еще открыта. Менделеев сам на бумаге исправлял атомные веса, как считал это нужным, ибо не верил экспериментальным данным: они противоречили его руководящей идее. Он оставлял пустые клетки в своей таблице, надеясь на будущие открытия. Лишь завтрашний день науки мог действительно подтвердить его правоту. И — подтвердил, по-новому обосновав и уточнив, но не отвергнув менделеевский принцип построения таблицы химических элементов.

Так, лишь на будущие успехи экспериментаторов мог рассчитывать Луи де Бройль, когда в 1923 году он заговорил о «волнах материи»: еще ни в одной лаборатории, никем и никогда не наблюдались волновые свойства вещества! Еще меньше, чем Менделеев, он мог надеяться на радостную встречу впереди. Ни малейшей опоры в опытах не имела его ищущая мысль. Он летел к острову, покуда что совсем необитаемому.

На какой же почве возникли его идеи? Ведь в настоящей науке беспочвенных идей не бывает. Даже научные фантасты — вольные стрелки — не часто позволяют себе подобные вещи: они привязаны если не к выводам, то к надеждам науки. И когда их воображение отрывается от этой почвы, они, конечно, остаются фантастами, но перестают быть научными. У физиков и такого выбора нет!

4

Перед мысленным взором де Бройля маячили разрешенные орбиты электронов в атомном пространстве. Расчисленные в 1913 году Нильсом Бором, эти орбиты спасли планетарную модель Резерфорда. Но физики уже десять лет задавали себе вопрос — почему одни орбиты разрешены природой, а другие нет? Почему они образуют прерывистую последовательность, как ряды в круговом амфитеатре цирка или нити в паутине? Что вынуждает электроны к скачкам с одной устойчивой орбиты на другую? Почему в атоме создается лестница дозволенных уровней энергии — почему лестница, а не пандус?

Как ни удивительно, но именно в этой-то прерывистости атомных состояний де Бройль почувствовал намек на волновые свойства вещества. Это удивительно потому, что ведь во всякой волне что-то меняется непрерывно. А в атоме как раз наоборот — господствует прерывистость. Так где же здесь можно было заподозрить вмешательство каких-то волновых процессов?

Однако вот мы сидим на морском берегу и от нечего делать считаем набегающие волны — одна, другая, третья… Мы их считаем, но нам и в голову не приходит, что своим прерывистым счетом мы внешне описываем непрерывный процесс. А прислушайтесь к тиканью часов. Это ведь непрерывные колебания невидимого маятника пунктиром отмеривают для нас время. У волн и колебаний — одна и та же существеннейшая черта: периодическая повторяемость, внешняя дробность.

Но подождите, к квантовым скачкам такая дробность еще не имеет никакого отношения — ни малейшего! Это мы, наблюдатели, перескакиваем взглядом с гребня на гребень или слухом — с «тика» на «так», а. в самом-то волнообразном движении морской воды и в самих-то качаниях маятника непрерывность не нарушается нигде. Ну, а боровские перескоки электронов в атомах — это настоящие прыжки с испусканием неделимого кванта энергии излучения. Половины или восьмушки кванта атом ни излучить, ни поглотить не может: об этом говорят прерывистые атомные спектры и другие многочисленные свидетельские показания опыта. Между двумя квантовыми уровнями энергии в атоме никаких промежуточных, разрешенных природою уровней нет. Электрон действительно скачет через пропасть невозможного. Это совсем не похоже на перекатывание по волне с гребня на гребень.

И все же между этими столь несхожими картинами де Бройль увидел глубокую связь. Глубокую и очень простую.

Он подумал: а не сопутствует ли движущемуся электрону какая-то волна? Нет, глагол «сопутствует» не точно выражает мысль, осенившую де Бройля. Он подумал: не связан ли электрон с какой-то волной, которая как бы ведет его — управляет его движением? Тогда в поведении электрона, как частицы, должно невольно отражаться поведение этой пока неведомой волны.

Вызовите снова в своем воображении образ крошечной солнечной системы. Вот электрон пролетает мимо вас по одной из разрешенных природой орбит. Совершив полный оборот (вокруг ядра, он вновь появится перед вами в той же точке, где вы его засекли. Он появится, ничего не приобретя и ничего не потеряв, как настоящая планета: извне к нему энергии не притекало, и сам он энергии не излучал — орбита устойчивая, разрешенная. Естественно, что и предполагаемая волна, которая вела электрон, должна выглядеть в отмеченной точке совершенно так же, как в начале оборота: если был у нее в нашей точке гребень, то и теперь, через полный оборот, когда она перекатилась по всей орбите, у нее снова должен быть гребень. А если была, скажем, середина ската, то и через оборот должна снова появиться середина ската. Иначе, отчего бы при возвращении электрона в ту же точку его состояние оставалось прежним? Ведь если в поведении электрона отражается поведение его волны, а она к концу оборота не совпала сама с собой, то, значит, в жизни электрона что-то изменилось за это время. А между тем не изменилось ничего: он летел по устойчивой орбите.

Но орбита не прокладывается для электрона кем-то заранее. Она не подвесная железная дорога, опоясывающая на нужной высоте ядро, так что электрону остается только смирно катиться по ней. Электрон сам прочерчивает в атомном пространстве эту устойчивую, «боровскую трассу». Так вот, мы вправе сказать, что, по мысли де Бройля, разведчиком такой трассы служит для электрона связанная с ним волна.

Он мчится устойчиво по таким кругам или эллипсам, по которым может прокатиться за один оборот только целое число его волн: одна, две, три или двадцать три — это не важно. Важно лишь, чтобы на замкнутом пути вокруг ядра умещалось обязательно целое число электронных волн. Тогда в той точке, где вы заметили гребень, через оборот снова будет гребень. И через тысячу оборотов тоже гребень, а не впадина волны и не середина ее ската. А значит, и с электроном ничего не будет происходить, пока он вращается по такой орбите.

Вот по каким путям дебройлевокая волна-разведчица ведет электрон! Немного позднее, уже в разгар отчаянных споров вокруг идей квантовой механики, де Бройль назвал ее «волной-пилотом». Так нащупал он возможный принцип, по которому природа разрешила одни орбиты и запретила другие: разрешены те, в которых укладывается целое число электронных волн.

Тогда сразу делается ясным — отчего в атоме возникает лестница устойчивых состояний. Две дозволенные боровские орбиты не могут тесно прилегать одна к другой: будь они бесконечно близки, они бесконечно мало отличались бы по длине. А это-то как раз и невозможно — одна должна быть длиннее другой по крайней мере на целую электронную волну! Если это круги, между ними появится кольцевой просвет. Иными словами, устойчивые пути электрона в атоме действительно должны быть раздвинуты, как ряды в амфитеатре цирка, который отличаются друг от друга на целое число кресел — не на полкресла или на треть, а на целое — только целое! — их число.

Тогда ясно и другое, самое главное: перейти с орбиты на орбиту постепенным переходом электрон действительно не может: он вынужден перескакивать через пропасть неустойчивости единым махом — одним прыжком.

…Так пригодилось физике, казалось бы, вполне бессодержательное, праздное занятие — пересчитывание набегающих волн: одна, другая, третья… В еще никем не наблюдавшейся и не возвещенной никакими опытами волновой природе электрона Луи де Бройль разглядел возможную причину квантовой прерывистости состояний атома — квантовой лестницы уровней энергии в нем.

5

Как и прежде, нам не до подробностей. Как и прежде, нас всего менее увлекает то, что всего более занимает физиков: те разнообразные детали научного познания, в которых гнездятся подвохи и каверзы, те «мелочи», на которых часто спотыкаются в своем победном шествии новые теории. Но то, чего нельзя здесь пропустить, вовсе не детали, а, пожалуй, самое существенное.

Представьте, что де Бройль сказал бы лишь одну фразу: «Я почему-то думаю, что электрон не только частица, но и волна». Вероятно, никто не обратил бы на это ни малейшего внимания. Если бы далее он привел серьезные соображения в, пользу этой мысли, она наверняка произвела бы большое впечатление на одних физиков и показалась бы нелепостью другим. Но даже сторонники его идеи все-таки не рискнули бы еще объявить, что в науке о микромире сделано важное открытие. Знаменитый Петр Николаевич Лебедев в одном письме, к Тимирязеву вспоминал слава Менделеева: «Оно, конечно, сказать все можно, а ты пойди демонстрируй!»

Сколько удивительных предвидений похоронено в лекциях и речах, дневниках и письмах ученых всех стран и времен! Проходят десятилетия и века — историки находят эти брошенные наудачу зерна и, как правило, видят одну и ту же картину: не было подходящей почвы, чтобы случайный посев взошел. Они видят: поразительно верные догадки не могли еще отлиться в строгие формулы и подсказать нужные эксперименты. Они видят: науке еще нечего было делать с этими прозрениями.

Герцен в «Былом и думах» восхищался талантливым московским профессором физики Михаилом Павловым. Его восхищение стократно возросло бы, если б он мог оценить, что Павлов за сто лет до Резерфорда говорил о планетарном строении атома. Это ли не пророчество? Но совсем не случайно оно не оставило никакого следа в науке. В начале прошлого века оно не могло стать руководящей идеей для физиков — вот и вся причина забвения. Ни Павлов, ни его современники не знали об атомах решительно ничего достоверного, ничего не ведали о повадках излучения, не имели представления даже о законе сохранения энергии. Павлов ничего не мог ни сосчитать, ни измерить. Он так же бессилен был бы доказать свою правоту, как другие его опровергнуть.

А Лебедев? Он за тридцать лет до Резерфорда тоже пришел к мысли о планетарном атоме. Но снова — рано было, слишком рано еще было! И он доверил свое удивительное прозрение только личному дневнику: всю жизнь он считал и измерял, а Дут к расчетам и измерениям нельзя было даже подступиться. Переполненный идеями и замыслами, он недаром так хорошо помнил замечательно точные и сердитые слова Менделеева: «Пойди демонстрируй!»

Де Бройль высказал свою догадку не рано и не поздно, а на редкость вовремя. Хотя летел он к необитаемому острову, физика уже приготовила для такого полета навигационные карты. Он смог облечь свою мысль в предположительные формулы и смог подсказать экспериментаторам возможные измерения.

А что, собственно, надо было теоретически рассчитать и потом в лаборатории измерить? Это само собой вытекало из идеи двуликого электрона — частицы-волны. Как у создания корпускулярного, у него есть свой импульс в движении: произведение массы на скорость (вспомните киносъемки частиц в физических лабораториях). Как у создания волнового, если только догадка верна, у него должна быть своя длина волны и частота какого-то связанного с ним колебательного процесса (вспомните фотоны — световые кванты). Электрон — един в этих двух лицах. Так, стало быть, должна же существовать какая-то связь — точная количественная связь! — между обеими его ипостасями? Безусловно. Скажем, когда импульс электрона велик, длина его предполагаемой волны мала… Или что-нибудь в таком роде. Словом, мудреная или простенькая — какая-то связь тут должна быть!

Вот ее-то и надо было найти — ее надо было продемонстрировать сначала чисто математически, выкладками на бумаге, опыт здесь помочь еще не мог.

Де Бройль это сделал. В мирной тишине рабочего кабинета этот принц, недавно вернувшийся с военной службы, человек совсем не героической внешности, ничем не прославивший французскую армию и флот, одержал бескорыстную рыцарскую победу над невидимым и ускользающим противником — победу более нужную людям, чем все подвиги его предков на всех турнирах и полях сражений старой Европы.

На протяжении десяти лет Эйнштейн имел случай дважды восхититься ходом физического мышления двух своих младших современников. Это чувство вызвала в нем «музыкальность мысли» Бора, расчислившего в 1913 году электронные орбиты. И такое же чувство пробудила в нем простота, с какою де Бройль в 1923 году вычислил длину никому не известных электронных волн. (Вклад молодого француза в современную физику он назвал гениальным.)

Получилось так, что для обычных «лабораторных» электронов — не слишком быстрых и не слишком медленных — их волны должны по малости длины соревноваться с рентгеновскими. Вскоре в разных странах экспериментаторы взялись за опыты, которые прежде показались бы полной бессмыслицей, — за ловлю каких-то «волн материи».

Можно подумать: а зачем было их ловить? Разве для подтверждения странной волнообразность электрона мало было уже одного того, что она хорошо объясняла прерывистый ряд воровских орбит в атомах? Мало! Кто поручился бы, что у природы нет в запасе вместо непонятной двуликости электрона какой-нибудь другой — более правдоподобной — причины для квантовых скачков по лестнице разрешенных уровней энергии в атоме? Кто присягнул бы, что образ «частица-волна» не праздная выдумка теоретика, ловкая, удачная, но все же только выдумка?

Двуликость электрона надо было проверить прямыми опытами.

Электрон-частица… Это в проверке не нуждалось: он был открыт, как частица, как «атом электричества».

Электрон-волна… Это можно было установить, посмотрев в лаборатории, способен ли он на поступки, допустимые только для волн. Нагляднейший из таких поступков — огибание препятствий: та самая дифракция, которая в свое время помогла восторжествовать волновой теории света.

6

Как всегда, когда в естествознании происходят события громадной важности, об успехах мало кому понятных исследований время от времени громогласно сообщали в конце 20-х и начале 30-х годов даже ежедневные газеты. Дифракция электронов была обнаружена — они огибали препятствия с такой же бесспорностью, как световые лучи. Или рентгеновские. Они огибали атомы в кристаллических решетках с такой же наглядностью, с какою морские волны огибают мол.

Сегодня в любой книге по атомной физике, в которой рассказывается «все по порядку», можно увидеть рядом две фотографии: на одной — дифракционный рентгеновский снимок кристалла, на другой — дифракционный снимок того же кристалла в электронных «лучах». Они похожи почти как два отпечатка с одного негатива. Это удивительное сходство и сейчас производит большое впечатление. Тридцать лет назад оно производило впечатление ошеломляющее. И это легко понять.

Де Бройль вспоминает, что его диссертация была принята «сначала с удивлением, к которому, несомненно, примешивалась какая-то доля скептицизма». Да и вправду: легко Ли было согласиться с мыслью, что все вещество вокруг нас и в нас самих — словом, всюду в природе — состоит из частичек, у которых есть еще и второе лицо — какая-то волнообразность?! Физики еще не успели освоиться до конца с двойственностью света: уже Два десятилетия существовавшее в науке представление о квантах излучения — световых частицах — еще не оформилось в слове «фотон» (помните, оно появилось, это слово, лишь в 1926 году). А тут уже предлагалось принять за истину и двойственность вещества! Нет, пока эта истина оставалась кабинетной, выведенной на бумаге математическими значками, душевно легче было не принимать ее всерьез как физическую истину. Еще можно было позволить себе отшучиваться — мало ли какая фантастика может пригрезиться в математических видениях!

Абрам Федорович Иоффе рассказывал однажды, как в 1923 году он познакомился на 4-м Сольвеевском конгрессе физиков в Брюсселе с Полем Ланжевеном. Знакомство было окрашено и политическими и чисто научными страстями той поры. Ланжевен, выдающийся физик и общественный деятель, человек редкого благородства и смелых убеждений, презирал французских правителей во главе с Раймондом Пуанкаре — одним из организаторов недавних кровавых походов Антанты на молодую Республику Советов.

Физик из революционной России среди участников Сольвеевского конгресса! — это было радостное открытие для Ланжевена. Он просил Иоффе поверить, что ему, французу, стыдно за Францию Пуанкаре. Ланжевен был полон всяческого дружелюбия. Он равно откровенно говорил и о политике и о своих научных взглядах. Между прочим, он рассказал Иоффе, что один его ученик в Париже представил чрезвычайно интересную диссертацию. «Идеи диссертанта, конечно, вздорны, — сказал Ланжевен, — но развиты с таким изяществом и блеском, что я принял диссертацию к защите». Он назвал имя автора работы: Луи де Бройль.

Абрам Федорович Иоффе вспомнил эту историю в разговоре с двумя литераторами в феврале 1960 года. Такие вещи помнятся и через 37 лет! Полный величайшего уважения к Ланжевену академик Иоффе с улыбкой повторял его тогдашние слова. Улыбка означала: «Ланжевена нельзя винить в слепоте — он был ученым другого поколения, чем де Бройль».

Один из собеседников Иоффе, писатель Даниил Гранин, работал в то время над романом, где героями были физики. Он тотчас сказал: «Но замечательна широта Ланжевена — не согласившись с научными идеями ученика, он все-таки дал жизнь его диссертации!» А другой собеседник — автор этих строк — немедленно подумал, как интересно будет привести эту историю в рассказе о рождении современной механики микромира. Словом, каждый из нас со своей колокольни взглянул на рассказанный старым академиком интереснейший эпизод. «Вот она, эйнштейновская драма идей!» — подумал я.

Тут, в самом деле, все было полно значения.

Подумайте, советский физик на международном конгресс се был в начале 20-х годов своего рода диковиной, хотя одна из революционнейших эпох в познании природы неспроста совпала с самой революционной порой в истории человеческого социального мышления, и гость из молодой России должен был бы явиться почетным гостем не для одного Ланжевена, будущего коммуниста, а для всех людей науки. Полно значения было и ланжевеновское невольное чувство стыда за беды, принесенные стране революции реакцией Запада, Драматичен был и неосознанный конфликт в душе ученого — конфликт между смелостью его исторических взглядов и осторожностью взглядов научных. Будоражило мысль и скрытое несогласие учителя и ученика, преодоленное только нравственной широтой Ланжевена, о которой с восхищением сразу сказал Гранин. Впрочем, только ли нравственной? Может быть, Ланжевен благословил «изящную, но вздорную» диссертацию де Бройля, кроме всего прочего, потому, что втайне чувствовал возможную правоту ученика, хотя и не мог с нею примириться? (Известно, что Ланжевен сам послал дебройлевскую работу Эйнштейну. Значит, он сознавал ее серьезность, ее важность и глубину?)

Этот давний эпизод ярче яркого осветил муки рождения квантовой физики.

Миновало три года со времени защиты дебройлевской диссертации. И вот в научных журналах всего мира печатаются «электронные снимки» кристаллов, совершенно подобные хорошим рентгенограммам. И опытные данные подтверждают с желанной точностью дебройлевскую формулу для длины электронных волн! Согласитесь, такие события не могли оставить современников равнодушными.

(Пожалуй, удивительно, что волновые свойства вещества не были впервые открыты в лаборатории на улице Байрона в Париже, где столько лет работал с рентгеновскими лучами де Бройль-старший, Морис. Ведь там, в этой лаборатории, проводилось множество опытов по фотоэлектрическому эффекту, в которых рентгеновское излучение обнаруживало свойства потока частиц. И там у де Бройля-младшего впервые родились его теоретические идеи…)

Подтверждение кабинетной истины пришло сначала от Дэвиссона и Джермера из Америки, потом от Томсона — сына старого Джи-Джи — из Англии, потом от Кикучи из Японии, потом от Руппа из Германии, потом от Тартаковского из Советской России. И еще и еще — из лабораторий различнейших стран. Многократно доказанная на всевозможные лады, но всякий раз прямо и непосредственно, волнообразность электрона стала таким же неопровержимым физическим фактом, как и его корпускулярность.

Это было второе открытие электрона.

И еще громче — это было, в сущности, второе открытие вещества, второе — после открытия его атомной зернистости.

В конце 20-х годов везде, где люди спорят о злобе дня — на улице и за домашним чаем, в поездах и за столиками кафе, — совсем незнающие расспрашивали относительно знающих о «волнах материи», как сегодня люди расспрашивают друг друга о таинственном антивеществе, о непонятном крушении еще более непонятного закона сохранения четности, о неведомой праматерии и тому подобных вещах.

Тот давний всеобщий интерес к новым странностям микромира был и в самом деле того же происхождения, что интерес сегодняшний к странностям новейшим. Конечно, для природы любые странности — и новые и новейшие — стары, как она сама. Но человеку они открываются постепенно. И мы не знаем, какие удивления нам еще суждены.

Одно несомненно — последнего удивления не будет. И радость узнавания мира — единственная, у которой не бывает конца в жизни человека. Чем отвлеченней она, тем бескорыстней. И она равно доступна всем — и академику и ребенку: дело тут не в степени образованности — перед лицом неизлечимой человеческой страсти знать, как устроен мир, равны первоклассник и доктор наук. Жажда одна, утоляется она только по-разному.

Но если радости познания у них в общем-то очень похожи, то печали неведения совсем различны. Ах, если бы академику — детскую убежденность, что есть на свете взрослые, знающие все! Но нет, ученому, идущему впереди, не к кому обращаться за ответами, кроме самой природы. И не школьные неприятности, вроде двоек, сопутствуют в его жизни радостям узнавания мира, а треволнения посущественней.

Знал ли де Бройль, какие огорчения принесет ему и какую смуту посеет в физике, а за физикой — и в философии естествознания открытие неких «волн материи»?

В 1923 году он этого не знал. Но через тридцать лет он вынужден был сказать уже знакомые нам слова, что открытие двойственности волн-частиц было «наиболее драматическим событием в современной микрофизике».

7

Мы убедились: первые же открывшиеся науке элементарные частицы — фотон и электрон — выдали физикам такую непредвиденную тайну материи, что микромир предстал перед ними в совершенно неожиданном обличье. Фотон с помощью Эйнштейна и электрон с помощью де Бройля рассказали физикам, что материя в своих глубинах двулика. Одинаково двулика и в атомных глубинах вещества и в структурных глубинах силовых полей, так что и разница-то между веществом и полями в мире элементарных частиц стирается: все «первоосновы материи» — «кентавры», частицы со свойствами волн или волны со свойствами частиц.

Ничего подобного не знала классическая физика. Она никогда не имела дела с миром таких причудливых сущностей. Не потому ли, что она раскрывала законы природы в явлениях других — несравненно больших — масштабов?

Да, именно поэтому. Прежде всего поэтому. Тут очень ярок переход количества в качество.

Когда де Бройль искал связь между свойствами электрона, как частицы и как волны, он имел право не интересоваться никакими иными характерными чертами этой микродетальки любого вещества. Заряд? Возможные размеры? Вероятная форма?.. Все это было не важно для его цели. Так не важны были Кеплеру красноватый цвет Марса или температура Солнца для установления законов обращения планет. Электрон был для де Бройля движущимся образованием из материи и больше ничем — кусочком материи в двух проявлениях: корпускулярном и волновом. Любой другой кусочек материи равный электрону по массе — например, еще не открытый в ту пору позитрон, — должен был бы обладать и волновыми свойствами электрона. Если бы мы могли отковырять от стула щепочку электронного веса, то и ей была бы свойственна та же мера волнообразности.

Короче говоря, для предсказанных де Бройлем волновых свойств вещества индивидуальные особенности движущейся массы не имели решительно никакого значения. В его знаменитой формуле длина «волн материи» была связана только с величиною массы и скорости тела.

Но ведь и протон — тело, и свинцовая дробинка — тело, и Земля — тело. Все это кусочки материи, крупицы массы. Протон в две тысячи раз массивней электрона. Дробинка в миллиарды триллионов раз массивней протона. Земля, со всеми ее горами и океанами, городами и людьми, невообразимо массивней дробинки. Однако для механики и она — только движущаяся масса. Так что же, стало быть, и Земле, и дробинке, и протону должна быть присуща раскрытая де Бройлем некая волнообразность?

Несомненно!

Природа не знает жестких границ. Нет оснований думать, что она могла прикомандировать волновые свойства только каким-то очень маленьким движущимся массам, а тем, что побольше, сказала — «обойдетесь и так». Маленькая масса, побольше, очень большая — все это наши, человеческие, земные мерки, а в хозяйстве вселенной такие оценки — чистейшая условность. Так ли мал электрон, если он в сотни тысяч раз массивней квантов видимого света?

Да, это было не так уж громко сказано, что открытие двойственности электрона явилось как бы вторым открытием вещества: двуликость — волна-частица — лежит в природе всех физических тел. Электрон — не исключение, а только нагляднейшее подтверждение правила.

Так, значит, классическая механика была слепа. Сама того не подозревая, она уже имела дело с причудливыми кентаврами? Конечно. Но вернее было бы сказать, что ньютонова механика была не слепой, а лишь наполовину зрячей: она прекрасно видела корпускулярность всех тел и не замечала только их волновых свойств. Однако как же могло случиться, что такая фундаментальная черта движущейся материи ускользнула от ее внимания?

Нам уже пришлось задаться похожим вопросом в рассказе о теории относительности. Там тоже возникло недоумение: как могло укрыться от проницательности физиков прошлых веков такое естественнейшее и вместе с тем удивительнейшее, на каждом шагу происходящее и вместе с тем незримое событие, как возрастание массы тел при возрастании их скорости? Ответ был прост и неотразим: в нашем мире медленных вещей такое увеличение массы столь ничтожно, что не могло ощутимо проявиться и дать знать о себе ни в одном реальном опыте. Все видимые события на Земле, даже самые быстрые, протекают так, словно скорость ни в малейшей степени не влияет на массу. Формулы Эйнштейна наглядно показали это. В них содержалось не только новое знание, но и безусловное оправдание прежнего неведения физиков. Массивность земных тел никогда не позволяла им разгоняться до скоростей, даже отдаленно приближающихся к световой. Иначе секрет был бы давно разгадан! Лишь в легком и быстром атомном мире, где околосветовые скорости — явление обычное, этот всеобщий закон природы заговорил о себе громким голосом. И физики-атомники каждый день явственно слышат его в своих лабораториях.

Это наводит на очевидную мысль: не так же ли обстоит дело и с волновыми свойствами земных тел, планет, звезд? Наверное, мера их дебройлевской волнообразности тоже слишком ничтожна и потому никогда и никем не могла быть замечена прежде.

Да. И формула де Бройля для длины «волн материи» показала это с полнейшей наглядностью. В ней тоже содержалось не только новое знание, но еще и абсолютно убедительное объяснение невольной слепоты классической механики. Длина «волн материи» у разных тел, движущихся с одинаковой скоростью, очень просто зависит от их массы: чем больше масса, тем она короче, эта длина дебройлевских волн. Для громадных масс она становится исчезающе малой.

И очень занятно, хотя бы ради оправдания Ньютона и всех экспериментаторов всех веков, представить себе, какою мерой волнообразности обладает наша Земля, летящая вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Впрочем, реально представить себе длину «земной волны», — хотя бы только представить, а отнюдь не измерить на опыте! — намерение совершенно невыполнимое: так неотличима она от нуля.

В самом деле, прикиньте:

Масса Земли — 6 000 000 000 000 000 000 000 000 000 граммов.

Это число с 27 нулями. А масса электронов столь невелика, что на один грамм их пошло бы столь же неимоверное количество, измеряемое по чистой случайности тоже числом с 27 нулями. Перемножьте эти два числа: вы узнаете, во сколько раз Земля массивней электрона, — примерно в 1054 раз!

Но именно во столько же раз «земная волна» короче «электронной волны», когда электрон летит с земною скоростью — 30 километров в секунду. Правда, с такими медленными электронами физикам практически редко приходится иметь дело. Однако для нас это не существенно. Нам важно только, что длина дебройлевской волны у столь ленивых электронов подобна длине невидимых ультрафиолетовых волн. Она измеряется сотнями ангстрем — специально введенных спектроскопистами крошечных единиц длины: один ангстрем — 10-8 см, или — стомиллионная долька сантиметра. (Эта единица длины была названа так по имени шведского физика Андерса Ангстрема, который в прошлом веке очень точно измерил длины волн в солнечном спектре.)

В ангстремах физики измеряют и величину атомов. Вот этот-то атомный масштаб «электронных волн» позволил на прямом опыте проверить волнообразность электронов.

Однако даже ничтожно малую величину, каких-нибудь 100 ангстрем, надо разделить на число с 54 нулями для того, чтобы узнать примерную длину «земных волн»: это 10–60 сантиметра! В каких же явлениях может играть роль этакая нулевая малость? Как могла она быть замечена и учтена при изучении законов движения небесных тел?

Вы видите: слепота классической механики была простительна.

8

Физики сравнивали атом с солнечной системой. А что, если наоборот: сравнить солнечную систему с атомом?

Пусть и в ней, как в атоме, господствуют воровские квантовые скачки. Пусть и в ней, как в атоме, существует только прерывистый ряд разрешенных орбит. По сходству это значит, что планеты могут лететь устойчиво вокруг Солнца лишь по чем эллипсам, в которых умещается обязательно целое число «планетных волн». Другие эллипсы запрещены.

И вот — Земля.

Пусть по какой-то причине она сдвинулась к Солнцу-ядру хотя бы всего лишь на один ангстрем — на стомиллионную долю сантиметра. И пусть новая ее орбита окажется тоже разрешенной, то есть и в ней тоже уместится целое число «земных волн». В кольцевом просвете между прежней и новой орбитой, хоть и с трудом, мог бы втиснуться нормальный атом водорода — его диаметр примерно равен как раз ангстрему. Стало быть, при всей своей малости сдвиг Земли к Солнцу — реально ощутим по крайней мере в атомных масштабах. Но подумаем, сколько еще разрешенных орбит существует для Земли, в этом кольцевом просвете?

Его ширина по сравнению с длиной «земной волны» чудовищно огромна: целый ангстрем. А новая орбита, более близкая к Солнцу-ядру, короче старой уже не на один, а на несколько ангстрем. Значит, она разнится от старой на неисчислимое множество «земных волн»: даже в одной стомиллионной дольке сантиметра количество этих волн измеряется числом с 52 нулями! А если бы сдвиг был так мал, что она потеряла бы лишь одну «земную волну», новая орбита тоже ведь была бы разрешенной. Следовательно, в нашем атомном просвете умещается еще бог знает сколько дозволенных орбит. И уж в просветы между действительно ближайшими орбитами не мог бы протиснуться никакой атом. Никакой электрон. И вообще ничто реально существующее!

Даже не в земных, а в крошечных атомных масштабах, величина порядка 10-52 ангстрема, или 10-60 сантиметра, неуследимо мала, попросту — неразличима. Если позволительно так выразиться, она не более реальна, чем нуль.

Итак, что же получилось из нашей попытки подчинить солнечную систему квантовым законам Бора для атома? Ничего нового. Ничего нового по сравнению с законами классической механики. Получилось, что практически — любые орбиты для планет дозволены природой. Разрешенные эллипсы так плотно прилегают друг к другу, что просветы между ними абсолютно неощутимы. Никакой прерывистости — реальной прерывистости — нет. Уровни энергии взаимного притяжения планет и Солнца, зависящие от радиуса орбит, не образуют лестницы хоть со сколько-нибудь заметными ступеньками. Эти разрешенные квантовые уровни энергии сливаются для планет в пологий идеальный пандус. О квантовых скачках с уровня на уровень говорить начисто бессмысленно. От-того-то классическая механика ни о каких таких странностях и не подозревала. В своей области явлений природы она в высочайшей степени точна. Была точна и остается точна.

А причина в том, что волнообразность Земли — призрачна. Дебройлевское «дрожание» этого громадного куска материи, этой гигантской «частицы» вещества, говоря тем языком, каким Чичиков говорил о мертвых душах, — «ну просто фу!».

Столь же призрачна волнообразность и какой-нибудь дробинки, весящей одну десятую грамма. Ее масса пустячна лишь до тех пор, пока мы не сравниваем ее с массой электрона. А стоит только провести подобное сравнение, как нам понадобится число с 26 нулями, чтобы показать превосходство дробинки. Но тогда «дробинковая волна» во столько же раз короче электронной, когда дробинка и электрон летят с одинаковой скоростью. Разделите ангстрем или сотню ангстрем на это число, и вы приблизительно оцените длину «волн материи», присущих нашему кругленькому кусочку свинца. Это примерно 10-34 или 10-32 сантиметра.

Снова нельзя вообразить эксперимента для измерения такой малой протяженности в пространстве. Ведь придумать нужный опыт — это значит найти какой-нибудь физический эффект, в котором реально сказалась бы столь исчезающе малая разница между двумя длинами. А такие эффекты неизвестны в природе. Может быть, со временем они будут найдены? Едва ли. У физиков есть сегодня серьезные основания думать, что во вселенной вообще не существует физических событий, на ходе которых могли бы отразиться столь малые пространственные изменения. (За этим предположением скрывается, пожалуй, одна из самых смущающих современных физических идей — представление о неделимых наименьших квантах пространства. Некоторые теоретики полагают, что это — «ячейки электронного размера»: вообразите кубик с ребром в 10-13 сантиметра. Если мысль о таких минимальных «порциях» пространства верна, то ясно, что нельзя физически обнаружить никаких процессов, которые зависели бы от меньших протяженностей, как нельзя раздробить на дольки неделимый квант энергии излучения.)

Остается покинуть мир громадных масштабов — мир таких массивных тел, как Земля или дробинка. Надо вернуться в микромир.

Мы в долгу перед ядром водородного атома. Земля и дробинка не выдержали практического экзамена на волнообразность. А выдержит ли его протон?

Да, конечно. Его масса достаточно мала, чтобы длина «протонных волн» была достаточно велика. Его волнообразность совершенно реальна. И вправду: если по массе протон всего в две тысячи раз больше электрона, то его дебройлевские волны всего в две тысячи раз короче. А это не такая уж страшная малость. Тысячные доли ангстрема — очень заметная величина по атомным масштабам. Она гораздо больше поперечных размеров электрона, как воображаемого шарика, — во многие десятки раз больше! Но если так, то существование «протонных волн» не может проходить бесследно для течения событий в атомном мире.

Волнообразность протона отнюдь не призрачна. И действительно, волновое поведение ядер водорода было установлено в лабораториях прямыми опытами: их поток тоже огибает препятствия в недрах кристаллических решеток, он тоже дает типично волновую картину дифракции. Это было тонкое экспериментальное достижение физика Демпстера, потом многократно повторенное другими. Нетрудно догадаться, что оно было еще более тонким, чем «фотографирование» кристаллов в электронных лучах.

Так и протон, вслед за фотоном и электроном, подтвердил наглядно и зримо удивительную двойственность материи. А вообще-то говоря, нам уже заведомо ясно, что все карликовое население микромира, безусловно, принадлежит к странному племени микрокентавров: корпускул-волн или волн-корпускул (это одно и то же). И ясно, что двойственность элементарных частиц любого нового вида уже не нуждается (в специальном доказательстве прямыми опытами. Она заранее очевидна: масса любых телец такого масштаба достаточно мала, чтобы велика была волнообразность.

Очевидно и другое: все элементарные частицы — заряженные и нейтральные, устойчивые и неустойчивые, обладающие и не обладающие массой покоя, просто частицы и античастицы — все они благодаря одной своей малости не могут подчиняться законам движения обычных тел. Все они — и те, что в минувшие десятилетия нашего века были открыты в атомных недрах, в космических лучах, в продуктах распада ядер при бомбардировке на мощных ускорителях, и те, что еще будут открыты завтра или когда-нибудь, — все они двойственностью своего поведения никогда не будут напоминать большие тела, для которых классическая механика установила верные, но не всеобщие законы.

В середине 20-х годов физикам стало совершенно ясно, что невидимый и неслышный микромир должен с неизбежностью оказаться странно устроенным миром.

Квантовые скачки Бора и волны де Бройля положили начало созданию новой механики.

 

Глава третья

Несколько слов в утешение. — Вначале были два пути. — Цюрихский профессор и геттингенский ассистент. — Односторонние страсти. — «Чудо 26-го года». — В тумане приблизительности. — Ограниченность и могущество. — Вопрос без ответа. — Способ Диогена нам не годится! — Нельзя увидеть несуществующее.

1

Мир причудливых сущностей.

Странно устроенный мир.

Есть что-то навязчивое, что-то досаждающее в этих полу-поэтических фразах, в этом примеривании обычного в природе на человеческий аршин необычного, словно человек и вправду имеет законное право считать себя и свой весьма ограниченный опыт всеобщей мерой вещей.

В конце концов не пустая ли это игра в слова называть нормальное — причудливым, естественное — странным? Виновата ли природа, что люди стали изучать вселенную «не с того конца»? Вернее — «с середины», с вещей и событий земного масштаба, а потом только смогли направиться в дали галактик — в сторону большого, и в глубины атома — в сторону малого…, Примись люди за дело по разумным правилам логики, то есть начни они с простого, чтобы постепенно подниматься к сложному, и, право же, не происходило бы никакой драмы идей. Все раскрывалось бы последовательно, по заведенному самой природой порядку. Все узнавалось бы, усложняясь от ступеньки к ступеньке, начиная с законов поведения элементарных частиц материи и течения элементарнейших процессов в пространстве-времени. Лепясь вокруг первой снежинки, как снежный ком, росло бы непротиворечивое знание. Наши понятия обогащались бы, не требуя жертв: не надо было бы отрекаться от прежних представлений, а только развивать их. И мы не ведали бы унизительного огорчения от сознания, что нам так трудно понимать самое простое в природе. Наверное, квантовая механика была бы арифметикой физики, ее учили бы дети.

Часто даже в книжках пишется, что атом устроен гораздо сложнее солнечной системы, хотя это заведомая нелепость по одному тому, что любое небесное тело сработано природой из мириад атомов. Сложнейший из них — несравненно менее причудлив, чем мельчайшая пылинка земного. Но, несмотря! на всю очевидность этого, именно в микромире мы усматриваем странность за странностью.

Так ученые, владевшие тончайшими тонкостями современного языка и не затруднявшиеся чтением, скажем, Пушкина или Канта, десятилетиями бились над расшифровкой египетских иероглифов или дощечек с острова Пасхи, примитивных, как надписи на памятниках, упрощенных, как вывески.

Мы ворвались в атом со стороны — пришли туда с представлениями, выработанными при узнавании механизма событий, в которых волнообразность материи не проявляется ни в чем, и удивляемся, что на нашем физическом языке там нельзя объясняться запросто.

У человечества одно оправдание: сама природа виновата, что люди стали изучать ее «с середины». У нее нет первой снежинки — нет самого простого. Если бы случилось невозможное и древние некогда начали бы с элементарных частиц, все равно ведь вышло бы, что не сначала начали! И, наконец, это сама природа определила человеческий масштаб, завязав когда-то жизнь на Земле. Мыслящее существо не могло бы оказаться микросуществом — туземцем в атомном мире. Есть один неожиданный довод, объясняющий это, кроме всех биологических и исторических истин.

Кибернетика показала, что можно построить машину, которая в качестве своей продукции будет выпускать точно такие же машины, как она сама. Но вот что замечательно: доказана теорема, по которой такая «самовоспроизводящаяся машина» должна обладать определенным уровнем сложности. Она не может быть простой конструкцией! Казалось бы, простое легче воспроизвести, но процесс воспроизведения себе подобного такая мудреная вещь, что простое на это не способно. Лопата не сделает лопаты. Так, даже одноклеточные вирусы — это сложнейшие конструкции из атомов, высокомолекулярные образования из микромиров. Иначе они, примитивнейшие, мельчайшие, невидимые, не были бы способны на первое всеобщее чудо жизни — на создание в подходящих условиях собственных копий.

А мышление — не первое и уж совсем не всеобщее, а редчайшее чудо жизни. Оно — ее высшее достижение. И с инженерной точки зрения от атома до вируса ближе, чем от вируса до человека. Сложность и гибкость человеческой конструкции были бы неосуществимы без выхода далеко за пределы микроуровня бытия материи. Законами природы задан масштаб человека — тот макромасштаб, при котором двойственность вещества реально не обнаруживается.

Вот и получается, что вовсе не из-за своей ограниченности, а как раз благодаря своему совершенству мыслящие существа вынуждены удивляться элементарным частицам, как причудливым образованиям. Слово «странно» недаром не сходит у нас с языка, когда мы спускаемся в глубины материи. Необъяснимо было бы обратное — если бы наше воображение чувствовало себя «как дома» среди волн-корпускул. Тогда природа попросту не смогла бы в человеке дойти до самопознания: он был бы для этого слишком примитивным существом.

Зачем высказано здесь все это?

По правде говоря, прежде всего для утешения. Сейчас нам предстоят новые жертвы: расставание с представлениями, которые, казалось бы, должны были остаться нетронутыми даже в передрягах современной физики.

Не думайте, что за долгими разговорами о двойственности элементарных частиц забылось наше намерение — увидеть, как получилось, что микромир возник перед мысленным взором физиков в неожиданном образе «мира утраченных траекторий». Напротив, все эти разговоры о волнах-частицах только тому и служили, чтобы в утрате траекторий не было для нас никакой неожиданности. На первый взгляд, может почудиться, что эта цель и впрямь уже достигнута. Конечно, частицы с волновыми свойствами не могут вести себя как твердые шарики. И очень понятно, что пути их движения, наверное, лишены строгой определенности классических траекторий. Это «на ощупь» чувствуется — без доказательств. Во всяком случае, тут уж нечему удивляться, если мы только справились с изумлением перед двойственностью материи! Вот снова получается — грозились непостижимостью, а на деле все так очевидно…

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.

2

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.

Их имена одновременно стали равно знаменитыми. Мы их уже встречали недавно: Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер.

3

Кажется, до 1926 года они даже не были знакомы друг с другом. Работали в разных городах, занимали далеко не одинаковое положение в науке, принадлежали к разным поколениям: один родился в прошлом веке, другой — в нынешнем. Словом, внешне ничто не связывало почти сорокалетнего, уже имевшего собственных учеников цюрихского профессора Шредингера и ассистента при кафедре физики, которому не было и двадцати пяти, начинающего геттингенского ученого Гейзенберга. Вы ожидаете, что зато между ними существовала глубокая внутренняя связь, раз оба явились создателями механики микромира. Однако и это не так.

Они не только работали врозь и независимо друг от друга, но и питали разные надежды. Им рисовались совсем несхожие между собой картины микродействительности. Они одновременно делали одно великое дело. Не сговариваясь, они были соратниками по цели. Но оказалось, что они противники по убеждениям — по физическим взглядам на природу атомных явлений. Вот уже более тридцати пяти лет их имена стоят неизменно рядом на страницах «трактатов по квантовой механике». И ровно столько же лет продолжался то явный, то скрытый спор между ними.

Как бы его обнажить и сделать понятным?

Грубо, конечно, но все же не настолько грубо, чтобы от истинной сути дела ничего не осталось, можно так передать смысл их начальных исканий: оба надеялись построить микромеханику, на разные лады разоблачив странную двойственность волн-корпускул или корпускул-волн. В сущности, каждый из них со своей точки зрения хотел показать, что у элементарных частиц только одно лицо подлинное, а другое — маска. Одно соответствует их материальному естеству, а другое — лишь отражает характер их сложного поведения.

Говоря уже совсем не грубо, а только образно, события в атомном мире представлялись обоим физикам как бы карнавалом, на котором либо частицы надевают личину волн, либо волны выступают под маской частиц. Был выбор: рисовать себе дело так или этак. Был выбор: отдать предпочтение волнам или отдать предпочтение частицам.

Когда сегодня студенты решают практические задачи по квантовой механике, они с легкостью делают этот выбор, думая только об удобстве рассуждений и об упрощении математических выкладок. А принципиально для них вообще не существенна эта проблема — что предпочесть: они уже знают, что и так и этак получится одинаково хорошо. В первой же лекции они узнали и на всю жизнь усвоили, что симметрия волн-частиц в микромире полная! Но пусть не покажется, что и первосоздатели микромеханики могли решать для себя этот вопрос беззаботной жеребьевкой: кинули монету, посмотрели — «орел» или «решка», сказали: «Так тому и быть». И не стоит думать также, что каждый из них сделал свой выбор по трезвому расчету: осмотрелся, прикинул трудности, решил. «Так будет лучше!» Один решил: «Буду рассматривать частицы, держа в уме волны». Другой решил: «Буду рассматривать волны, держа в уме частицы».

Тут работала интуиция. В ту начальную пору выбор между волнами и частицами затрагивал глубины физического мировоззрения. Он определялся складом мышления и души. Тут боролись под спудом XIX и XX века в естествознании. Это не преувеличение.

«Волны материи»! В их смутном еще образе оживала надежда вернуться к старой, испытанной непрерывности движения в природе.

Частицы и квантовые скачки! В их образе, тоже отнюдь не ясном для воображения, подчеркнуто утверждала себя чуждая старой картине природы прерывистость процессов в микромире.

Надо бы подробно проследить все извивы ранней научной биографии обоих ученых, чтобы безошибочно объяснить, почему Шредингер стал работать под девизом — «Волны и непрерывность!», а Гейзенберг под девизом — «Прерывность и частицы!». Но нам, пожалуй, довольно заметить, что цюрихский профессор был на четырнадцать лет старше и, следовательно, геттингенский ассистент был на четырнадцать лет моложе… Оба шли вперед, но Шредингер оглядывался на классические представления о непрерывном течении физических процессов, а Гейзенберг готов был к любой новизне, самой диковинной.

Из таких-то разных устремлений родились в 1925–1926 годах две разные механики микрособытий. Это не домысел. Есть верное свидетельство выдающегося теоретика Макса Борна (его имя уже попалось однажды на нашем пути), что дело обстояло именно так, а не иначе.

Каковы же были две эти механики? Здесь об их премудростях можно сказать только два слова, но нам этого и достаточно.

4

Гейзенберг раздумывал о прерывистом ряде устойчивых состояний атома, о правилах движения по боровской лестнице квантовых скачков. Его не смущала полная невозможность ни вообразить, ни описать, как протекает каждый такой скачок. Он видел: они реальны, эти скачки! И был убежден, что пытаться раскрыть их механизм — бесцельно: внутренне они не членятся на более мелкие события. А если как-то и членятся, то физически это не обнаруживается: скачок сопровождается испусканием целого кванта. Или поглощением, когда энергия приходит извне.

Уже шла речь о том, какая большая неприятность для нашего сознания эти квантовые скачки. Прежде природа нигде и никогда не демонстрировала настоящей прерывности в ходе физических процессов. Но достаточное ли это основание для того, чтобы пытаться любой ценой очистить от квантовых скачков картину внутриатомной жизни?! Прерывность — подлинное лицо многих событий в микромире. Так думал Гейзенберг. Волнообразность микрочастиц он считал маской. И вначале надеялся вообще от нее избавиться.

Он хотел проникнуть в математические закономерности, по которым одни квантовые переходы в атомах осуществляются чаще, другие — реже. Он искал способ предсказывать вероятности всех возможных скачков с уровня на уровень. Тогда можно было бы ответить на вопрос, почему в спектре натрия так ярко горит именно желтая линия, а в атомах возбужденного стронция чаще всего происходит скачок с испусканием кванта красного света.

Тогда вообще можно было бы математически описывать поведение квантовых систем из микрочастиц.

Он был в ту пору ассистентом Макса Борна — «очень талантливым, но еще очень молодым и не очень образованным» (так писал Борн). Можно добавить: настолько талантливым и настолько необразованным, что он сам придумал для своих физических идей особый математический аппарат, не зная, что такой аппарат под именем «матричного исчисления» давно придуман математиками. (О домашнем изобретателе изобретенного говорят — «он придумывает велосипед». Согласитесь, что к случаю с Гейзенбергом эта шутка не очень подходит.)

А тем временем Шредингер в Цюрихе продолжал де Бройля. Но не просто продолжал: он намеревался так разработать идею «волн материи», чтобы ничего не осталось от корпускулярности элементарных частиц и от прерывистости атомных состояний. Другими словами, ему хотелось показать, что непрерывность нерушима и в микропроцессах, а прерывистый ряд разрешенных уровней энергии в атомах — только маска: за нею прячутся закономерности поведения непрерывных волн, которые могут гасить или усиливать друг друга. Тут лежала в подоплеке та же мысль, что помогла де Бройлю объяснить волновыми свойствами электрона, почему раздвинуты и образуют прерывистый ряд боровские разрешенные орбиты в атоме; поведение электронной волны отражало состояние движения электрона-частицы.

Но Шредингер пошел гораздо дальше. Он был глубоко убежден, что все события в микромире — это волновые процессы, и только волновые процессы!

Он вывел знаменитое волновое уравнение, опираясь на классическую (теорию волновых явлений и основную идею де Бройля. Это уравнение давало закон изменения во времени и пространстве неких волн, или, как чаще говорят физики, волновых функций. С их помощью можно было математически описывать разные состояния атома и смену этих состояний, влияние разных условий на движение микрокентавров.

Когда весною 1926 года Шредингер прислал из Цюриха в Париж де Бройлю рукопись своих работ, автор «вздорной, но изящной» диссертации испытал, как он сам признается, чувство восторженного удивления: его поразила красота построений Шредингера, и он увидел, какое глубокое и неожиданное завершение получили вдруг его первоначальные волновые идеи. Он даже назвал их теперь «примитивными». Но, конечно, то была «примитивность» зерна, из которого со временем вырастает колос.

Математики давно оккупировали для своих символов весь греческий и весь латинский алфавиты. Свободных букв совсем уже не было, когда появились волновые функции Шредингера. Он назвал их сравнительно мало «затасканной» буквой «пси». С тех пор это греческое название для шредингеровских волн стало едва ли не самым частым гостем на страницах всех теоретических исследований по микрофизике. С ним могло соревноваться в популярности только еще одно слово — «матрица», перекочевавшее из высшей алгебры в теорию микромира благодаря Гейзенбергу.

Холодом бесстрастной научности веет от математической вязи нескончаемых операций с пси-функциями и матрицами. Какой-нибудь не очень научный фантаст когда-нибудь еще скажет, что это, может быть, шифр, забытый на земле марсианами. Так пугающе неприступна, так безлична, так не похожа на живой, беспокойный человеческий язык эта символическая канитель интернационального словаря атомников. Но рождался этот словарь не в бесстрастных трудах затворников, а в бурных спорах, в часы бессонниц — не фигуральных, а подлинных, — в приступах негодования и даже, как мы помним, в часы отчаяния.

Так было с самого начала. Макс Борн уверяет, что Шредингер весь отдался разработке своей волновой механики из-за «отвращения к боровским внезапным квантовым скачкам». (Вы не забыли, как цюрихский профессор называл эти скачки «проклятыми» и кричал, что будет жалеть о своей возне с квантовой теорией, если придется сохранить прерывность в картине микромира!) И тогда, и позже, и совсем недавно Шредингер, по словам Макса Борна, «страстно призывал к изгнанию из физики…». Кого? Нет, не надо ждать здесь перечисления каких-нибудь неугодных имен — настоящие ученые борются с идеями, а не с их носителями. Шредингер призывал к изгнанию из физики всяких представлений о частицах, о разрешенных устойчивых состояниях и квантовых переходах между ними. Вот кто были его «личные враги».

А матричная механика Гейзенберга как раз на эти-то представления и опиралась. Мог ли геттингенский ассистент оставаться равнодушным? Нет, и он был настроен резко непримиримо. Нужен был только повод, чтобы эта непримиримость прорвалась наружу. Повод нашелся. Когда появилась волновая механика, Макс Борн стал размышлять над простейшим, но и самым трудным вопросом: а что такое эти шредингеровские пси-волны? Каков их физический смысл? Понимаете, он не отверг их, как того хотелось бы его молодому ассистенту, а увидел и в волновых построениях то, что Эйнштейн называл «краешком истины». Этого оказалось достаточно, чтобы между учеником и учителем впервые возникло принципиальное несогласие. Со всем азартом своих двадцати пяти лет Гейзенберг обвинил Борна «в измене духу матричной механики». В измене — не меньше!

Таковы были страсти — односторонние страсти.

Они-то и помогают нам теперь кое-что уловить в самой сути новой, рождавшейся тогда, а сегодня еще не состарившейся странной картины микродействительности.

Итак, физики ссорились втайне. Их построения соперничали явно. А природа — неужели она безмолвствовала?

5

Обычно, когда в естествознании появлялись две теории «про одно и то же», какая-нибудь из них непременно побеждала другую. Сразу или в долгой борьбе ей, победительнице, удавалось, хотя бы на время, доказать, что она полней и надежней отражает реальность. На ее сторону становился опыт!

Так два века с переменным успехом боролись две теории света — корпускулярная и волновая. Ни в XVIII, ни в XIX столетиях не признавалось, что обе могут оказаться справедливыми одновременно.

Когда — в 1925–1926 годах появились две разные механики микромира — матричная и волновая — «механика прерывности» и «механика непрерывности», в физике возникло, казалось бы, абсурдное, единственное в своем роде положение. Теории были противоположны, а опыт тотчас стал на сторону обеих!

Расчисленный по законам механики Шредингера и рассчитанный по правилам механики Гейзенберга водородный атом был совершенно таким, каким его уже знали во многих деталях физики-экспериментаторы и прежде всего — спектроскописты. И такое согласие предсказаний обеих механик с лабораторными сведениями о микромире было всегда одинаковым: обе давали один и тот же ответ на одни и те же вопросы. Словом, природа не только не отмолчалась, но вопреки привычным ожиданиям ученых в равных объемах подтвердила правоту двух взаимно враждующих точек зрения.

В равных объемах! — это очень важно. Ведь любая физическая теория — лишь приближение к действительности. Большее или меньшее. Из двух теорий «про одно и то же» более точная и тонкая еще говорит о природе правду, когда другая уже начинает врать. Так о движениях с малыми скоростями законы Ньютона и законы Эйнштейна рассказывают одно и то же, но о движениях быстрых ньютоновы формулы дают уже совершенно ложное представление хотя бы потому, что не считаются с изменением массы от скорости. Тут классические предсказания не сбываются.

Не было бы ничего удивительного, если бы две механики микромира оказались обе справедливыми, но в разных объемах. Это значило бы только, что одна точнее другой, то есть тоньше и глубже отражает микродействительность. Тогда необычным было бы лишь то, что они появились на свет одновременно: как правило, нужен немалый срок и горы новых исследований, чтобы более грубая теория сменилась более тонкой.

Но «чудо 1926 года» в том и состояло, что столь несхожие между собой по духу и по математической форме две механики микромира обнаружили свою истинность в равных объемах. Не было такого микрособытия, которое волновая механика в принципе могла бы описать, а матричная — нет.

Или — наоборот. Обе работали, или обе пасовали. Иными словами, обе давали одинаковое приближение к реальности. Обе равно хорошо служили познанию атомного мира, совершенно независимо от односторонних страстей, которые обуревали их создателей. (Так хорошие часы разных систем с одинаковой точностью исправно показывают, который час, независимо от того, что думали о природе Времени сработавшие их мастера.)

…Теперь я вижу, что поступил опрометчиво. Надо было из этого «чуда 1926 года» сделать интригующую тайну, а потом вместе с тобою, читатель, доискиваться ее корня. Вот так из таинственного факта, что свет нельзя остановить, из достоверной энциклопедической справки, что масса частицы света в покое была бы равна нулю, мы вытянули, как шприцем из ампулы, основное содержание физических идей теории относительности. И вынуждены — именно вынуждены! — были согласиться, что природа устроена очень странно: в ней есть предельная скорость, а безотносительного времени, так же как и абсолютного пространства, нет; в ней масса тел зависит от их скорости и энергия во всякой форме обладает массой.

Может быть, лучше было бы нам и сейчас двигаться таким же путем: начать с исторической справки об удивительном совпадении механики частиц и механики волн, механики прерывности и механики непрерывности, а затем приняться за логическое распутывание этой «нелепости». Тогда странная картина микромира, как мира несуществующих траекторий, возникла бы перед нами быстрее и с логической неизбежностью.

Вот схема пути, который мы бы прошли…

Таинственный факт совпадения несовместимых механик обязательно привел бы нас к железному выводу, что в самом микромире каким-то образом совмещаются такие несовместимые вещи, как частицы и волны, прерывность и непрерывность событий.

Не осталось бы даже такой утешающей возможности, как предположить, что частицами там являются одни детальки микромира, а волнами — другие. Не осталось бы и такой надежды, как решить, что прерывными или непрерывными тамошние события выглядят в зависимости «от точки зрения» — от глубины проникновения в их суть. Тогда две механики вовсе не совпадали бы: они рассказывали бы каждая свою правду — правду о разных вещах и в разных объемах. В общем принудительная логика заставила бы нас сделаться такими же бесстрашно-проницательными, как Эйнштейн и де Бройль. Мы сами заговорили бы о волнообразности корпускул или о корпускулярности волн — о странных микрокентаврах, как о единственно возможных обитателях микромира.

Конечно, наше воображение тут же взбунтовалось бы: как ему соединить в одном образе твердую неизменяемость частиц с гибкой изменчивостью волн? Но перед лицом логической необходимости бедному воображению пришлось бы в конце концов сдаться. А потом и неоценимо помочь нам!

Оно ведь отказалось бы дать и наглядную картину движения непредставимых микрокентавров. И вправду: атомный электрон, как частица, мог бы в каждый момент быть привязан к определенной точке пространства и двигался бы от этой точки в определенном направлении с определенной скоростью. Для электрона-частицы боровокие орбиты были бы совершенно реальны. Но электрон, как волна, не может быть сосредоточен в одной точке ни в данный момент, ни в следующий и ни в какой другой: волнообразность электрона заставляет его, подобно музыке в зале, каким-то образом заливать собою все пространство атома. А с внеатомным — свободным! — электроном воображению справиться было бы еще несравненно труднее: как частица он должен где-то пребывать, но как свободная волна почему бы не мог он размазаться по всему безграничному пространству?

Разумеется, и материальная точка и безграничная волна — математические абстракции. Их не найти в природе. Но они и образы реального: они рождены обобщением невыдуманного физического опыта. И ведь не оскорбляется же наше «чувство реальности» рисунками солнечной системы, где центры тяжести планет изображены точками, описывающими эллипсы вокруг Солнца, которое тоже принимается за материальную точку?! Наше воображение легко мирится с любыми абстракциями, когда чувствует или знает их реальную основу. Но с образом «частица-волна» оно не может смириться потому, что никогда не соприкасалось ни с чем, что могло бы послужить этому образу реальной первоосновой. Отдельно — волна и отдельно — частица, пожалуйста. Но вместе?!

По этой же причине воображение не в силах нарисовать такого кентавра в движении. Двигаться подобно классической частице — от определенной точки к строго определенной соседней точке со строго определенной скоростью — электрону мешает его волнообразность, а двигаться подобно волне, — свободно распространяясь по всему доступному пространству, — ему мешает корпускулярность.

Вот этим-то отказом наглядно представить себе движение микрокентавров воображение сослужило бы нам неоценимую службу на нашем пути от «чуда 1926 года» к его корням: стал бы сразу неизбежным логический вывод — в микромире классических траекторий нет!

Так, отправляясь от факта совпадения двух противоположных механик микромира, мы действительно довольно быстро пришли бы к тому, к чему вела нас долгая дорога. Но, выиграв в пути, мы проиграли бы во впечатлениях, как торопливые туристы, выбирающие кратчайший маршрут. (А по условию эта книга продолжает оставаться чем-то вроде путевых заметок.) Так что повторять логический эксперимент с фотоном, пожалуй, не стоило.

Теперь надо развязаться с «чудом 1926 года», чтобы увидеть, наконец, подстерегавшую физиков крутизну.

6

Прежде всего ясно, что чуда не было: образ «частицы-волны» появился до Гейзенберга и Шредингера. Если только он соответствовал правде природы, механики должны были совпасть. Этого не могло не случиться: ведь опорой обеим теориям служила одна и та же микродействительность. Обе теории пытались объяснить опытные данные, а эти причудливые данные были такими, какими они были: с фактами никакие односторонние пристрастия поделать ничего не могут.

Механики совпадали при проверке делом. Казалось бы, что еще нужно? Но нет, теоретикам этого, конечно, было мало. Они не слишком доверчивы: а вдруг найдутся в будущем атомные загадки, при решении которых обнаружится расхождение обеих теорий?

В том же 1926 году было проведено строгое математическое доказательство неосновательности таких подозрений. Попросту было показано, — и это сделал Шредингер, — что микромеханика волн и микромеханика частиц могут как бы поменяться своими математическими аппаратами. Они — запись одних и тех же закономерностей на разных математических наречиях единого физического языка природы. Они — описание атомного карнавала, на котором подлинные лица и маски неразличимы, оттого что участники маскарада сами по себе двулики.

Когда весной 1927 года пришли, наконец, от экспериментаторов первые дифракционные снимки кристаллов в электронных лучах и немедленно стала развиваться неожиданная область техники — электронная оптика, — это прямое доказательство волнообразности вещества произвело глубокое впечатление на всех, кроме теоретиков. Их оно, уже не могло ни удивить, ни обогатить: они свое дело сделали с не оставлявшей сомнений надежностью. И знали: волновые опыты с электронами не могут не состояться, как не может не произойти предсказанное лунное затмение.

Дело было сделано. Две механики слились в одну. Их первоначальные названия — «волновая» и «матричная» — стали с годами встречаться все реже, главным образом в философских и сугубо теоретических спорах. А в расписаниях лекций и семинаров на всех физических факультетах мира появилось название новой дисциплины — квантовой механики, поначалу страшившей профессоров — «как читать этот курс, чтобы все было понятно», и пугавшей студентов — «как сдавать этот чертов предмет, чтобы не завалиться на экзаменах».

Завалиться и вправду было легко. Стоило только решить — математика вывезет! Многоречивая, громоздкая, она, эта математика квантовой механики, была мучительной, но от-того-то и казалась спасительной: будешь вертеть операторами, интегралами, дельта-функциями, пси-волнами или матричными элементами, всякой там эрмитовостью и ортогональностью, глядишь, экзаменатор и поверит, что все ты знаешь, все тебе понятно, ну, просто молодец молодцом! Как ни хитроумна математика, она в конце концов легка, потому что вся насквозь логична и пронизана железной необходимостью выводов и следствий. В ней словно бы все получается само собой. Но сколько бедняг, огрызаясь на сочувствия однокашников, уходили с экзаменов удрученной походкой: проклятые физические вопросы подвели.

…Маленькое воспоминание из давних университетских лет. (В путевых заметках автору все разрешается.) Году в 1935 — 1936-м в известной всему Московскому университету «Семнадцатой аудиторий» на Моховой происходила научная конференция студентов-химиков. В ту пору квантовая физика почиталась на химическом факультете тяжкой морокой, едва ли для чего-нибудь нужной будущим органикам и неорганикам. Но декан Адам Владиславович Раковский держался другого мнения. Он обожал современную физику и не затруднялся ее аппаратом — о самом себе он говорил насмешливо: «Я лучший химик среди математиков и лучший математик среди химиков». Он решил — пусть хоть на студенческой конференции будет сделан сравнительно простой доклад: «Уравнение Шредингера и атом водорода». На беду или на счастье, доклад был поручен мне. Сейчас-то, почти через двадцать пять лет, мило все, что связано с той порой. Но тогда это выглядело несколько иначе.

Я честно трудился — студенту неслыханно приятно почувствовать себя лектором. Ходил вдоль демонстрационного стола, заменявшего кафедру, подражая кому-то из профессоров, вероятно самому Раковскому, блистательно читавшему физическую химию. Сильный свет бил в глаза — кто-то фотографировал конференцию для университетской многотиражки. Я радовался, что всему амфитеатру знакомых лиц так хорошо видна доска, на которой моя рука лихо выводила волновое уравнение и прочие математические подробности. И я радовался, что из-за света не вижу лица приятеля, обещавшего «издевательски улыбаться». (Ныне он, Борис Клименок, стал почтенным доктором химических наук и мог бы стать вдобавок выдающимся художником, если бы в нашей жизни на все хватало времени и была бы она вечным студенчеством.) Помню, как самодовольно я разрисовывал формулы, стараясь не упустить мельчайших доказательств, завороженный красотой и звучностью математики. И помню, как кто-то, видимо вовсе не завороженный ею, спросил не спеша скучнейшим на свете голосом: «А ты про физический смысл этих пси-функций когда-нибудь скажешь?» Помню, едва я успел великодушно пообещать «остановиться на этом подробно», как раздался другой, лениво насмешливый голос: «Если там нет орбит, как же у тебя движется электрон?» — «Это не у меня, это у Гейзенберга!» — воскликнул я находчиво.

Впрочем, вру: такой прекрасный ответ я придумал потом, запоздало, как всегда в таких случаях, на длинной лестнице, а в тот момент… А в тот момент погасла лампа фотографа, в тинистом полусвете потонула исчерченная мною доска, и точно корабль, швартующийся кормой, вдруг надвинулась на кафедру давно томящаяся скукой и непониманием глыба амфитеатра. В этой тусклой обыденности зимнего освещения я еще долго барахтался, вышвырнутый из спасительного круга красивых формул короткой, но неотразимой волной простых физических вопросов. Не было у меня в запасе ясных ответов. Туман приблизительности стоял в голове, и, кроме заученных, но не освоенных сознанием слов об «ограниченности классических понятий» и «принципиальной ненаглядности» квантовых представлений, мне нечего было сказать. А как признаться в своей беспомощности самонадеянному студенту? Наверное, все мое красноречие имело один сомнительный смысл: если тут что-то непонятно, так это оттого, что и должно быть непонятно.

Кончилось все довольно унизительно. Вышел к доске Раковский, Иронически блеснул очками. И заговорил фразами отточенно-острыми, как его безукоризненная мушкетерская бородка.

— Есть лекторы двух типов, — примерно так сказал он. — Когда лектор первого типа заканчивает лекцию, слушатели думают: «Какой он умный и какие мы дураки — мы ничего не поняли!» Когда замолкает лектор второго типа, слушатели с удивлением переглядываются: «Какой он глупый и какие мы умные — мы поняли все!» Я предпочитаю принадлежать ко второму типу. Наш молодой докладчик, по-видимому, отдает предпочтение первому.

Помню смех аудитории, наконец-то повеселевшей после двухчасового уныния, — смех, к которому я не имел права присоединиться.

…Может быть, оттого так пространен на этих страницах рассказ о рождении самых общих физических идей микромеханики, что рассказывающий не забыл, как трудно, но славно прослыть дураком (или, мягче, — простаком) и как легко, но скверно прослыть умником (или, крепче, — шаманом), повествуя об умных вещах, не тобою придуманных.

7

Туман приблизительности не рассеивается от заклинаний. А слова об ограниченности классических представлений часто звучат именно как заклинание: «Не суйся с ними в микромир — они там не годятся!» Но физика не вероучение: ей с заклинаниями нечего делать. И квантовой механики не существовало бы, если б за признанием ограниченности классических понятий и образов не последовало выяснения границ этой ограниченности.

Внутриатомный мир изучается человеком в лабораториях большого мира, и другого пути нет. Движутся стрелки приборов, сигналят счетчики, вздрагивают перья самописцев, кинопленка запечатлевает туманные треки, выстраиваются частоколы спектральных линий… Все незримое, что совершается на микроуровне бытия материи, становится доступным наблюдению не раньше, чем оно сумело проявиться в событиях большого масштаба. Неслышный атомный лепет делается явственным, лишь усиленный до громогласной речи больших явлений. А ведь классические понятия возникли при изучении как раз такой крупномасштабной действительности природы.

Так вообразите на минуту, что все физические представления, извлеченные из вековечного земного опыта, оказались бы начисто лишенными смысла при распознании закономерностей микродействительности. Вообразите, что представления о прерывности и непрерывности, о частицах и волнах, о заряде и массе, об импульсе и энергии, наконец, о времени и пространстве, вообразите, что все это стало совершенно бесполезным для научного рассказа о поведении и свойствах материи в ее глубинах. Разве это не значило бы, что между микро- и макромирами нет никакой преемственности — никакой реальной связи? Между ними выросла бы непроницаемая стена без единой щелочки, сквозь которую макросущества в своих макролабораториях могли бы заглянуть в недра атома. Все старания экспериментаторов и теоретиков превратились бы в бессмысленные мытарства. Они не сумели бы даже узнать, что микромира странен, потому что не знали бы о нем ничего.

К счастью, это очередное предложение «вообразить себе» так же нелепо, как и другие предложения того же рода, уже испытанные нами на вздорность (вроде попытки «представить себе» ракету, летящую со световою скоростью). Не будь постепенного перехода от микро- к макромиру, непроницаемую стену между ними просто некому было бы воображать: мыслящее существо — макроконструкция из микромиров — никогда не возникло бы.

Само существование вселенной свидетельствует: стены нет! Природа едина. Это не философское предположение, а физический факт.

И вот мы уже обязаны думать не только об ограниченности классических представлений, но и об их великом могуществе. Ограниченность-то сразу бросается в глаза: в глубинах материи корпускулы — не корпускулы, и волны — не волны, элементарные частицы словно бы что-то третье, и у старой физики не нашлось непротиворечивого образа, чтобы охватить их необычную сущность. Но и могущество классических понятий очевидно, хотя и кажется сначала, что дело обстоит не так.

Ведь оказалось же, что арсенала основных классических представлений все-таки достаточно, чтобы механику микромира раскусить — взять эту крепость если не прямым вторжением, так обходным маневром с двух противоположных сторон. Отыскались же такие небывалые сочетания испытанных представлений, которые позволили с успехом отобразить странности микродействительности! С точки зрения «большого опыта» человечества такие гибриды противоестественны. Но важно, что созданы они были физиками из понятий и образов, взращенных наукой на почве этого самого, отвергающего их «большого опыта».

Не такая уж беда, что при этом пришлось расстаться с удобством наглядных моделей: нельзя мастерить из шариков и проволочек копию-макет настоящего атома, сделанного природой из микрокентавров. (Впрочем, многие физики уверяют, что они уже так свыклись с частицами-волнами, с прерывностью-непрерывностью и другими непредставимыми вещами, что видят их мысленно!)

Не такая уж беда, что страшно усложнились доказательства, формулы, расчеты и трудно стало простым смертным разговаривать на досуге о высоких материях. (Впрочем, трудно — это еще не безнадежно: ведем же мы сейчас с вами такой разговор!)

Замечательно — и это покрывает все протори и убытки, — что небывалые гибриды из ограниченно годных в микромире классических представлений прекрасно служат свою службу: вот уже три с лишним десятилетия они помогают ученым собирать все новые урожаи надежных знаний. И, конечно, это не какая-нибудь счастливая случайность, а яркое выражение глубокого единства природы, о котором вам, наверное, уже надоело слушать на этих страницах.

Да, запросто объясняться на языке классической физики в микромире невозможно. Но не запросто, а мудрено — на особый квантовый лад, — пожалуйста!

…Там нет траекторий. «Как же у тебя движется электрон?»

В самом деле — как же?

8

Нет вопроса, который звучал бы естественней. А между тем нельзя дать на него никакого точного ответа. В это трудно поверить. Или, вернее, это трудно понять. Но допустите, что нашелся бы точный ответ. Тогда можно было бы в каждый момент с полной определенностью сказать, где пребывает электрон и куда, с какою скоростью движется он из этого места своего пребывания. Ведь именно такой смысл должен иметь точный ответ, которого мы жаждем! Так будь он в запасе у природы, разве нельзя было бы шаг за шагом проследить вполне определенную линию движения электрона да еще и нарисовать ее в пространстве?

Существование точного ответа немедленно вернуло бы нас к обычным классическим траекториям движения. А эти траектории — к обычным частицам-шарикам без всяких волновых свойств. А эти шарики отбросили бы нас… — надо ли продолжать? Ясно, что микродействительность стала бы снова загадочной — тьма неведения вновь окружила бы устройство атома и рождение излучения, опять можно было бы только разводить руками перед фактом корпускулярного поведения света и волнового поведения вещества. Словом, как это ни удивительно, но именно точный ответ на назойливый и естественный наш вопрос сделал бы физику на голову ниже!

Вот дорогая цена любопытства, которое не может быть природой удовлетворено.

И все-таки нельзя заставить себя отказаться от этого законнейшего вопроса: «Как же движется электрон?» Ведь движется же он! А раз движется, то как? Нам не успокоиться, не узнав этого. Однако давайте дадим себе отчет: чего мы, собственно, добиваемся?

Надо честно признаться — мы жаждем лишь одного: суметь увидеть, начертить на бумаге или показать отчетливым жестом, как перемещаются в пространстве частицы-волны, образующие атомный мир. Без этого нам не мило никакое физическое знание. Без этого наша мысль чувствует себя беспомощно. Безотчетно мы просим у науки того же, чего требуем по праву от искусства: изображения познаваемого.

Только тогда мы готовы принять любые идеи в естествознании. В общем мы всегда тоскуем по зримому сходству с чем-нибудь нам уже знакомым, по трехмерной, объемной «чувственности» знания. (Ведь как раз поэтому всех обрадовал планетарный атом Резерфорда, и лишь физиков он еще вдобавок смутил.)

Короче говоря, мы добиваемся классического ответа на свой вопрос. А между тем отвечать на него должна совсем неклассическая — не ньютоновская — микродействительность.

Как же ей быть? На какой ответ мы вправе рассчитывать, раз заведомо безнадежно ожидать, что движение электрона будет похоже на полет дробинки или Земли, чья волнообразность начисто неощутима? Но если классического ответа нам не дождаться, зачем было говорить о могуществе классических представлений? Какое уж там могущество, когда они пасуют перед первой же трудностью в механике волн-частиц — перед изображением движения электрона.

Не спешите, не спешите… Может быть, и тут повторится история, приключившаяся с изображением самих этих «волн-частиц»: в их странном образе заключался совершенно неклассический ответ природы на вопрос о материальном естестве фотона и электрона, а вместе с ними и всех других элементарных частиц материи. Однако хоть и совершенно неклассический (где это видано, чтобы существовали волны-корпускулы!), образ микрокентавров сконструирован-то был из старых классических понятий, ибо, как мы убедились, ни на каком ином языке природа прямо и непосредственно не разговаривает с нами, людьми, созданиями классического масштаба. Так не ведет ли природа на этом же доступном нам языке какой-то свой, неклассический — микромасштабный — рассказ и о движении электрона?

Наверняка ведет! Надо его послушать.

9

Над футбольным полем летит мяч. Вопреки правилам защитник останавливает его рукой: он мог бы поклясться, что мяч летел в верхний угол ворот и вратарь его не достал бы. Откуда эта уверенность? От воспитанного опытом, надежного «чувства траектории» мяча. Говоря физически, защитник был убежден, что в той определенной точке пространства над полем, где он остановил мяч, тот обладал вполне определенной скоростью по направлению и — величине. Она, эта скорость, с неотвратимостью привела бы мяч в определенную соседнюю точку пространства, а там, чуть изменившаяся, но снова совершенно определенная скорость повлекла бы мяч в другую соседнюю точку, так что движение неумолимо закончилось бы именно в сетке ворот — в недосягаемом для вратаря верхнем углу. Так уж лучше пенальти, чем верный гол!..

Земной опыт снабдил нас незыблемым классическим убеждением, что любое движущееся тело всегда может быть застигнуто в точно определимом и предопределенном месте, из которого оно будет перемещаться дальше со столь же точно определимой и тоже предопределенной скоростью. И место и скорость предопределены всей историей движения тела.

Это и есть наше «чувство траектории». Оно обнадеживает охотника, уходящего на промысел. Оно помогает мальчишке увернуться от снежка. Оно служит нам ежечасно и всю жизнь. Это одна из основ всей механики наших движений. И хоть она безотчетна, в ней отражен объективный физический факт: волнообразность нас самих как движущихся тел и всего окружающего, зримого, осязаемого так призрачна, что никогда не дает о себе знать. Мы «только корпускулы».

И вот перед нами другой мир, где волнообразность отнюдь не призрачна и траектории утрачены. Как же быть с классическими понятиями координаты электрона и скорости электрона? Можно ли на старый образец описывать с их помощью движение микрокентавров? Нет, ничего не выйдет! Ведь только мы захотим уверить себя, что у электрона во всякий момент есть и точно определимое местоположение и точно определимая скорость, как мы немедленно «заставим» его двигаться по траектории. Однако это будет с нашей стороны лишь утешающий самообман. Электрон не сможет нас послушаться. Он не властен отказаться от своей двойственной природы только оттого, что нам этого так хочется, и его волнообразность не исчезнет по нашему повелению.

Значит, снова, как и следовало ожидать, испытаннейшие понятия классической механики — на сей раз понятия координаты и скорости тела — обнаруживают свою непригодность в микромире. Или по меньшей мере ограниченную пригодность. Но ясно, что они должны были доказать физикам еще и свое могущество, как сумели это сделать понятия частицы и волны.

Можно сколько угодно вертеть и играть словами, а движение электрона все равно будет выражаться в пространственном перемещении! Стало быть, от какого-то представления о, местоположении электрона, или, другими словами, от понятия координаты, нам некуда деться. И как бы ни протекало это пространственное перемещение, должно же оно требовать времени! Стало быть, и от понятия скорости отказаться невозможно.

В общем физикам надо было выбираться из заколдованного круга, потому что природа не научила людей усматривать движение там, где ничто не меняется во времени и пространстве: тогда само понятие движения теряет для нас всякий смысл. Что же оставалось делать? Неужели следовало решиться на крайность — взять да и объявить, что разговаривать о движении в микромире вообще нельзя?! Пожалуй, это было бы равносильно отказу от позиция микродействительности. А кроме того…

Вместо тяжеловесных научно-философских доводов услужливая память подсказывает знаменитые пушкинские строки:

И вправду — зрящий да видит: вот сквозь тьму прорывается луч маяка, это поток микрокентавров — фотонов, они, несомненно, движутся; вот лабораторную мишень поражает узкий пучок незримых снарядиков, выброшенных из дубенской гигантской атомной пращи, это тоже поток микрокентавров — протонов, и они, столь же несомненно, движутся; вот на арагацких кинокадрах оставляют за собою туманные нити электроны, мезоны, водородные ядра из космоса, и это тоже следы бесспорного движения микрокентавров. Словом, к нашим услугам — тысячи ярчайших доказательств медленного и быстрого перемещения во времени-пространстве волн-корпускул любого вида.

Так ярки эти доказательства, что зрелище кинжального прожекторного луча или белого звездопада в туманной камере наводит еще и на добавочное искушение: хочется воскликнуть: «Да ведь это движение по траекториям, кривые перемещения частиц видны невооруженным глазом!» Но вот тут уж надо прикусить язык. Такое неосторожное восклицание было бы непростительной оплошностью, даже большой — классический — опыт давно умудрил ученых не доверяться бесконтрольно грубым и часто обманчивым свидетельствам нашего зрения.

В древнем споре пушкинских мудрецов тот, второй, что начал молча ходить, дабы «доказать движение», выглядел, безусловно, победителем. Но Пушкин не стал бы писать свое стихотворение, если бы хотел сказать нам только это. Его занимала более глубокая мысль.

Итак, видимости надо доверять с осмотрительностью. Следовательно… Но подождите, прежде чем продолжать, хочется еще кое-что вытянуть из пушкинских стихов.

Наверное, каждого еще в школьные годы смущало маленькое недоумение: отчего, собственно, первый из древних мудрецов имел право называться мудрецом? Сказал две с половиной тысячи лет назад очевидную глупость, тогда же был неотразимо посрамлен без слов, а в веках почему-то пошли о том «забавном случае» долгие разговоры! Вероятно, был он не так уж прост, этот глупый мудрец?

Он был дважды не прост. Пушкин писал о Зеноне. А Зенон вопрошал: «Вот летит стрела, в каждый момент ее можно где-то застигнуть, там она в это мгновенье покоится, откуда же берется движение? Значит, движение — череда состояний покоя? Не абсурд ли это?»

Рассуждение было безупречно. Но и доказательство Диогена, который начал ходить, тоже было неопровержимо. Мог ли отыскаться выход из этого очевидного противоречия — движение слагается из моментов покоя? Выход должен был отыскаться и отыскался.

Для этого математика и механика должны были научиться оперировать с бесконечно малыми величинами. Они должны были научиться рассматривать состояние покоя как нулевой предел исчезающе малого перемещения. Это делает дифференциальное исчисление. И должны были научиться складывать такие нули, не удивляясь, что бесконечное прибавление бесконечно малых движеньиц может дать вполне реальный конечный отрезок пути. Это делает исчисление интегральное. В рассуждении Зенона была незаметная логическая погрешность. Он разлагал перемещение стрелы на бесконечное множество состояний покоя, а складывал их по арифметической логике конечных сумм: если взять столько-то нулей, все равно получится нуль. И потому сказал: «Движения нет». А все дело в том, что как ни велико арифметическое «сколько-то», оно еще не бесконечность. Диоген только молча и мог опровергнуть Зенона — словами у него ничего бы не вышло, потому что не было тогда нужных для этого слов.

От логики конечных величин человечество должно было шагнуть к логике бесконечных множеств. На это понадобилось два с лишним тысячелетия. И примерно столько же понадобилось философии, чтобы прийти к строгому диалектическому заключению, что в природе осуществляется на каждом шагу единство непрерывного и прерывного, конечного и бесконечного.

Вот видите: даже простейшее классическое движение по траектории совсем не такая уж простая штука для понимания. Но Пушкин не об этой сложности думал, а о другой: о сомнительной ценности наших ссылок на очевидность, когда мы хотим что-нибудь доказать. Упрямый Галилей настаивал на вращении Земли вопреки ее видимой неподвижности — и был прав, Диогеновский способ наглядно демонстрировать истину не всегда годится.

Нам он не годится вовсе.

10

Демонстрировать процесс движения в микромире не смог бы никакой Диоген XX века. И потому именно не смог бы, что там нет траекторий. Призывать в свидетели наше зрение наивно.

Разве в прямолинейно летящем световом луче виден отдельный фотон? Недаром Кеплер думал об истечении непрерывной материи из светового источника — как все мы, он видел, что «это так», и — заблуждался. Когда катится по горной дороге поток овечьего стада, истинное движение каждой овцы ускользает от нашего внимания. Вглядываясь в туманные нити на вильсоновских фотографиях, мы вовсе не прослеживаем действительный путь космической частицы: эти треки из капелек тумана как завалы поверженных стволов на лесной просеке — точного отчета о движениях дровосека они не дают. (Помните — частица внутри туманного следа подобна мухе в тоннеле метро.)

Сказал я про овец и дровосека — и сразу пожалел об этом. Такие сравнения порождают ложные соблазны: начинает невольно думаться, что какой-нибудь очень тонкий опыт все-таки сделает когда-нибудь зримо ясной картину движения — скажем, электрона в атоме водорода. Вооружившись биноклем и терпением, можно ведь распознать извилистый путь любой овцы в катящемся стаде. И путь дровосека можно в конце концов установить во всех деталях — надо лишь предпринять докучливое исследование. Отчего же не предположить, что и физики сконструируют со временем сверхсильный микроскоп для съемки документального научного фильма «Путешествие электрона» или «Электрон на орбите»?

Все дело в том, что такой фильм никогда не будет снят. И в этом «никогда» — запрет самой природы. Он очень понятен.

…Чтобы увидеть и снять электрон в атоме, этого карлика надо осветить.

Все лучи видимого спектра — от синего до красного — для такой цели не подходят: длины их волн слишком велики. Это 3–7 тысяч ангстрем (стомиллионных долек сантиметра). А размеры атома водорода в нормальном состоянии порядка 1 ангстрема. Можно ли ожидать, что видимый свет отразится даже не от электрона, а от водородного атома в целом? Это все равно что надеяться на заметное отражение морской волны от одной прибрежной песчинки.

Видимый свет не ощущает отдельного атома как сколько-нибудь серьезное препятствие на своем пути. Окруженные воздухом, мы его молекул не видим, хотя они и освещены солнечным светом — белой смесью красных, желтых, зеленых, синих лучей. Очень уж ничтожно рассеяние этих лучей при встречах с молекулами кислорода, азота, водорода. Оттого и не виден воздух. Но все же чем короче световая волна, тем эти молекулы заметней для луча, как препятствие. (Но точнее нужно сказать, что для солнечных лучей «заметней» не отдельные молекулы, а их тесные скопления, так называемые «флуктуации плотности воздуха», постоянно возникающие в атмосфере.) И потому самые коротковолновые из видимых лучей — синие — рассеиваются воздухом ощутимей, чем красные. В громадной толще земной атмосферы этот крошечный эффект постепенно накапливается и создает глубокую синеву прозрачного неба. А длинноволновые лучи, от желтого до красного, проходят сквозь атмосферу, почти совсем не рассеиваясь, и создают оранжевый цвет Солнца в нашем восприятии.

Если бы электромагнитные волны красного света были, наоборот, самыми короткими, а синего — самыми длинными, мы жили бы под красным небом и синим Солнцем.

Каким же светом высветить в атоме электрон? Согласитесь, что длина волны такого пригодного света должна быть меньше атомных размеров. Ну хоть в десять раз меньше:

только тогда атомный электрон будет возникать на их пути как реальная преграда. Появится надежда наконец-то увидеть воочию странного незнакомца, про которого физики уверенно рассказывают нам тысячи интересных историй, не зная даже, «как он выглядит». А предполагаемая киносъемка в таких лучах возбудит надежду снять под воображаемым микроскопом самый скучный по однообразию, но и самый удивительный по необычайности фильм. Правда, такие ультракоротковолновые лучи — 0,1 ангстрема — наш глаз не воспринимает. Однако это не роковая беда: хитроумным устройством инженеры смогли бы превратить такое невидимое рентгеновское изображение в обыкновенное — видимое. Беда в другом. И тут уж действительно роковая.

Любые электромагнитные лучи — поток не просто волн, а микрокентавров — волн-частиц — фотонов. Каждый фотон — квант электромагнитной энергии. И вы, конечно, еще не забыли, что этот квант, эта порция энергии тем больше, чем выше частота электромагнитных колебаний, или, что то же самое, чем короче длина электромагнитной волны. «Синий фотон» несет с собою (или в себе) больше энергии, чем «красный фотон», а рентгеновский — в тысячи раз больше, чем любой фотон видимого света, потому что тут длина волны излучения в тысячи раз короче (даже в десятки тысяч раз короче для нужных нам лучей: сравните — 0,1 ангстрема и 3–7 тысяч ангстрем). А чем энергичней фотон, тем он массивней. И массу его легко узнать по закону Эйнштейна, так хорошо нам знакомому: Е = М·С2. И вот совсем нетрудно подсчитать, — это простейшая арифметика, — каков же будет по своей массивности фотон того ультракоротковолнового рентгеновского излучения, которое могло бы хоть в принципе осветить электрон внутри атома.

Оказывается, масса такого фотона примерно равна массе электрона!

Теперь пусть начнется долгожданная съемка.

Не ясно ли, что ее придется тотчас прекратить? Ведь на атом хлынет поток таких же массивных волн-частиц, как сам атомный электрон. Вместо того чтобы аккуратно высветить атом, этот поток разгонит электроны, движущиеся вокруг ядра. Он развеет электронное облако — разденет атом. Он превратит его в голое ядро. Но незачем думать о сокрушительном потоке фотонов: в атоме водорода всего один электрон, и достаточно представить себе встречу только одного фотона с этим электроном. То будет встреча равных. И ее исход очевиден. На старом языке бильярдных шариков это будет столкновением двух одинаковых стремительных шаров — удар собьет электрон с его пути и вышвырнет из атомного пространства. Зафиксировав для нас место этого происшествия, фотон вместе с тем испортит весь объект съемки: дальше нечего будет снимать.

Значит, если бы даже существовали в атоме милые нашему воображению точные орбиты, наблюдать их мы все равно не смогли бы. Совершеннейший микроскоп, даже в мысленном идеальном опыте, показал бы нам из всей траектории электрона лишь одну точку. А снять на другой кадр «следующую точку» уже невозможно было бы: электрон в ней, в этой ожидаемой соседней точке, просто отсутствовал бы, и потеряло бы всякий смысл говорить о его «следующем» положении на орбите.

К счастью, эта заведомая безуспешность тончайшего опыта разочаровывает не так сильно, как могла бы, если б траектории в микромире действительно существовали. А то обстоятельство, что нельзя увидеть несуществующее, разве огорчительно?

И все-таки… И все-таки электрон как-то движется в пространстве и во времени. После Пушкина, дровосека, овец и бесполезного сверхмикроскопа снова приходится возвращаться к этому проклятому «как-то». Обнаружившие свою ограниченную пригодность, классические понятия координаты и скорости движущегося тела как-то все-таки должны быть приложимы и к описанию событий в микромире.

 

Глава четвертая

С этим ничего не поделаешь! — «Каморка неточностей». — Огорчения классиков. — Драгунский капитан говорит от имени бога. — Мировые постоянные. — «Таинственный посол из реального мира». — Соотношение Гейзенберга. — Понимание непредставимого. — «Погодите, Ландау, дайте, и мне хоть — слово сказать!»

1

В записках руководителя альпинистского отряда, впервые поднявшегося на один из гималайских восьмитысячников — на заоблачную Аннапурну, есть глубоко впечатляющее размышление:

«Ни одно животное, ни одно растение не имеют тут права на существование. В чистом сиянии утренней зари это отсутствие всякой жизни, эта суровая скупость природы лишь поднимают наши внутренние силы. Кто сможет понять возбуждение, черпаемое нами из этого небытия, если людей, как правило, привлекает и себе именно щедрая и богатая природа?»

Когда я прочел эти прекрасные строки, мне почудилось за ними что-то очень знакомое. Я оглянулся, как на улице: «Постой-ка, кто это? Мы же встречались. Что за дурацкая память!» Уже трудно было читать дальше. Захотелось немедленно вспомнить — где, в какой книге встретилось мне недавно нечто до крайности похожее? В записках другого альпиниста? Нет, рассказ о покорении Аннапурны случайно попался мне на глаза — уже больше года не раскрывал я никаких книг, кроме как «про физику» и «про физиков». Но неужели именно в одной из таких, далеких от поэзии книг могли содержаться строки о «возбуждении, черпаемом из небытия», и прочие вольности?.. Я решил на всякий случай (чтобы хоть второй след не потерять) выписать размышление альпиниста. И — вот тут-то, едва карандаш коснулся бумаги, мне сразу все вспомнилось, словно у руки есть своя надежная память: она уже выводила похожие слова!

Я переворошил выписки, сделанные недавно, и через минуту нашел то, что искал. Это были строки из лекции Вернера Гейзенберга о современной физике и цветовых теориях Гёте и Ньютона:

«Может быть, естествоиспытателя, покидающего область непосредственных чувственных восприятий с целью открытия более общих взаимосвязей, можно сравнить с альпинистом, который хочет подняться на вершину самой высокой горы для того, чтобы обозреть лежащую перед ним местность во всем ее многообразии. Альпинист также должен покинуть при этом плодородные, населенные долины. По мере того как он поднимается, перед ним раскрывается все более широкая окрестность, но вместе с тем все реже и реже видит он вокруг себя признаки жизни. Наконец он попадает в ослепительно яркую область льда и снега, где уже нет никакой жизни, и дышать становится почти невозможно. Только пройдя эту область, он может достигнуть вершины…»

Вот самочувствие физика-теоретика, исследующего глубинные законы движения материи. И как поэтично выразил Гейзенберг это самочувствие! Возражая критикам квантовой механики, он говорил в другом месте, что при попытках про-"1 никнуть в детали атомных явлений контуры этого реального странного мира растворяются для физика «в прозрачной ясности математики». Теоретики, как альпинисты, тоже черпают возбуждение словно бы «из небытия»: так далек от повседневной реальности, от зримого щедрого богатства жизни невидимый и неслышный мир элементарных частиц, где ищущая мысль ученых живет в атмосфере бесплотных отвлеченностей и непредставимых представлений.

Иногда, когда я вдруг подумаю, что эти страницы попадутся на глаза такому физику-альпинисту, мне становится не по себе. Дровосек… Пушкин… Чудо 26-го года… Лирические воспоминания… Овечье стадо… Короли-алхимики..: Зачем тут все это? Какое внутреннее касательство имеет все это к предмету рассказа?.. Я успокаиваю свою совесть простым соображением: рассказ этот пишется не для покорителей восьмитысячников. Часто я думаю, что такое оправдание недостаточно. Но другого не могу ни найти, ни придумать.

Да и надо ли его искать? Когда нефизику хочется понять новизну современных физических идей и уловить их смысл, как ему быть? Прозрачную ясность недоступной ему математики нечем заменить. Так, может быть, иносказания, далекие параллели, лирические отступления, исторические справки хоть как-нибудь помогут ему понять «возбуждение», черпаемое физиками «из небытия»? Может быть! Если этого нельзя заранее доказать, то, во всяком случае, этого нельзя заранее и опровергнуть.

Мне ничего не остается, как продолжать рассказ прежним способом. Снова: факты, логика и всяческие «путевые заметки».

…Итак, раз уж электрон, как и любой микрокентавр, не может двигаться по траектории, то есть не обладает одновременно и точно определимым местоположением и точно определимой скоростью, а при всем том перемещается в пространстве, значит несомненно одно: его координаты и его скорость страдают неопределенностью. Какой-то неопределенностью!

Какой? Наше величайшее уважение к физике, как науке точной, сразу возбуждает этот вопрос. А еще важнее наше глубокое убеждение, что сама природа всегда и всюду точна. И уж если встречаются в ней неопределенности, так и они должны быть определенными! «От» и «до»… В самом деле, нельзя примириться с мыслью, что все электроны в любых обстоятельствах пребывают «где угодно» и движутся «как угодно»: тогда полная бесформенность была бы уделом природы. Какие-то законы должны же управлять и самими неопределенностями в положении электрона и в значении его скорости. Вот только годятся ли тут твердые границы — «от» и «до»?

Наверное, не годятся.

Источник обеих неопределенностей — все ют же источник всех наших неклассических бед: волнообразность электрона. Будь он только частицей, ничто не мешало бы ему двигаться по строгой траектории, и никаких неопределенностей не было бы. Но попросить электрон «быть только частицей» и «не быть волной» нельзя. И потому эти неопределенности не могут исчезнуть — стать нулевыми, так, чтобы и в значении координаты и в значении скорости частицы-волны одновременно воцарялась полная классическая определенность.

Чувствуете ли вы, как это необычно и какою важностью здесь обладает именно слово «одновременно»? Это легко оценить на макропримере.

Перенесемся в годы войны. Однажды штаб истребителей на Балтике принял только обрывок радиосообщения: «…Эскадрилья противника проходит сейчас над Гельголандом». А через пятнадцать минут — обрывок новой информации: «…Противник идет сейчас курсом норд-ост, скорость 300». Надо было поднимать истребителей в воздух, но как можно было поставить им точную задачу? В обоих сообщениях «сейчас» относилось к разным моментам вражеского рейда. Когда были засечены координаты, осталось неизвестным — куда и как быстро летит эскадрилья. Когда стали известны курс и быстрота полета, осталось тайной, где эскадрилья находилась при этом. Сначала неопределенность в скорости, потом неопределенность в координатах. И в результате — полная неясность. Если бы не сплоховала связь, обе неопределенности могли исчезнуть одновременно, как это и бывало обычно, и тогда не случилось бы беды.

А в микромире эти две неопределенности никогда не исчезают одновременно! И никакая аккуратность в приеме информации из глубин материи тут не может помочь. Другими словами, квантовая механика вопреки всему опыту точных наук заставила физиков отказаться от надежды на одновременное сколь угодно точное измерение двух важнейших величин, без знания которых, казалось бы, нельзя и помышлять об описании движения и взаимодействия микрочастиц.

Вот как обернулось дело! Но не думайте, что оно обернулось бессилием атомной науки. Впрочем, такая мысль вряд ли придет кому-нибудь в голову. В наше время никто еще не доказал с такою громкой убедительностью, как физики-атомники, точности своих научных предвидений. Их проницательность — и обнадеживающая и устрашающая — позволила даже самый наш век назвать атомным. Так, значит, невозможность победить неопределенности в микромире не смогла помешать их успехам? Нет, не смогла. Это понятое бессилие стало их силой…

Но уверились ли мы сполна, что одновременная победа над обеими неопределенностями действительно оказалась немыслимой? Это так важно, что тут не должно остаться никаких сомнений и никаких иллюзий, какие подсказывает наш «большой опыт». Да и только ли большой? Ведь сумел же очень коротковолновый фотон застигнуть электрон в определенной точке, и сверхмикроскоп эту точку нам показал! Стало быть, уж одну-то из двух величин — координату электрона — можно в принципе измерить с любой точностью, не правда ли? Что же мешает одновременно измерить с такой же точностью и скорость электрона? Сомнение основательно. Как его развеять?

2

Надо повторить съемку под сверхмикроскопом. Надо посмотреть, какой ценой стали бы добиваться физики предельной — абсолютной — точности в измерении координаты электрона. То, что им пришлось бы делать, напоминает одну очень понятную обыденную процедуру, знакомую всем, кто прошел войну, или бывал в далеких экспедициях, или, наконец, просто в туристских походах.

…Помню 49-й год. Верховья притока Ангары. Ни дорог, ни селений. Геолог распластывает на коленях карту-миллионку, говорит коллектору: «Я буду ждать тебя здесь», берет карандаш, хочет поставить точку на излучине реки, но с досадой замечает — обломался грифель. «Заточи поострее», — » говорит он коллектору. И вздыхает: по этой грубой карте миллионного масштаба трудно ориентироваться, в одном сантиметре — десять километров реальной земли. Точка от тупого карандаша — миллиметра полтора в диаметре, это полтора километра тайги. Хороша точность! «Готово?» — спрашивает он коллектора. И вот появляется на карте волосяной толщины отметка, так остер карандаш. «Теперь все в порядке!» — говорит неопытный коллектор. Геолог ворчит: «Ну, это мы посмотрим». Он — знает, что они условились о встрече только с точностью до ширины волоса, а это все равно — метров сто прибрежных зарослей. Да и самой карте он не очень верит. «Посмотрим…»

Карта в своем масштабе уменьшает реальное, микроскоп в своем масштабе увеличивает, но суть та же. Острый рентгеновский луч накалывает электрон на карте атома. Он делает это с точностью громадной, однако не большей, чем «ширина его острия». А эта ширина зависит от длины волны фотона. Несколько огрубляя дело, можно даже сказать, что луч ставит на месте встречи с электроном точку такой же протяженности, как длина его волны. С такой точностью физик и узнает местоположение электрона в атоме — заветную координату. А воображаемый сверхмикроскоп, как реальная Земля после карты, воочию показывает, велика ли была наколотая фотоном точка.

Помните, мы условились, что физик взял излучение с длиной волны в одну десятую ангстрема, дабы фотон мог проникнуть внутрь атома водорода. Это определило точность измерения координаты электрона. Но физик мог отточить карандаш еще острее: взять невидимый свет еще более коротковолновой — не рентгеновские, а гамма-лучи или сверхгамма-лучи, такие высокочастотные, какие и технике-то современной пока неизвестны и названия не имеют. (Опыт мысленный — технические трудности не в счет.)

Пусть физик так и поступит. Пусть он решит в тысячу раз точнее измерить координату электрона. Ему понадобится фотон в тысячу раз более коротковолновый. Это будет в тысячу раз более тонкое острие.

Правда, опыт теперь вряд ли пройдет как по маслу. Такой фотон будет очень большой порцией электромагнитной энергии: он будет в тысячу раз массивней прежнего. И если тот был сравним по массе с электроном, то этот будет подобен уже самому ядру водородного атома — протону. Встреча с таким пришельцем уже не явится для атомного электрона «встречей равных». Электрон отскочит от него, как от налетевшей пули. Но изменит ли и пуля свой полет от столкновения с электроном? Ведь совершенно необходимо, чтобы это случилось: иначе физик не узнает, что на пути фотона попался электрон — точка на карте атома просто не будет поставлена.

(Оттого-то гамма-лучи, рождающиеся при ядерных реакциях на ускорителях и при делении урана в атомных реакторах, — это самое опасное излучение: оно пробивается через толщу бетонных стен, почти не отклоняясь, не рассеиваясь, и защита от него — громоздкая техническая задача.)

В общем надеяться, что, наша пуля-фотон, как говорят физики, «рассеется на электроне», дело сомнительное. Но в данном случае — прибор совершенный, и допустим, что экспериментатор сможет заметить даже крайне ничтожное отклонение пули-фотона. Это будет означать, что сверхтонкое острие действительно накололо электрон и дало знать о его местонахождении. Координата будет уточнена не до одной десятой, а до одной десятитысячной ангстрема.

Естественно, что физик захочет делать измерение координаты электрона все точнее и точнеё. Опыты будут становиться все труднее, но мысленно их можно продолжать без конца, все острее затачивая карандаш. Без конца? Да, без конца, потому что конец (недостижим. Недостижима абсолютная точность — нулевое острие!

И впрямь: фотон с нулевой или бесконечно малой длиной электромагнитных волн, как бы упакованных в нем, обладал бы бесконечно большой энергией-массой. Он являл бы собой физическую бессмыслицу. Физик попросту не мог бы «взять» его для опыта. Да к тому же такой фотонище не смог бы «наколоть» электрон: тот ни в малейшей степени не послужил бы для него препятствием. Выпущенный из фантастического источника, этот мифический фотон оказался бы в буквальном смысле слова всепроникающим: ни от чего не отразившись, ни на чем не рассеявшись, сметая по дороге любые преграды, он прошел бы сквозь вселенную, как сквозь пустыню, и затерялся бы в ее безграничности. Надо ли говорить, почему фантастически выглядел бы источник, испустивший такой фотон? В этом источнике какой-то электрический заряд должен был бы совершать колебания с бесконечной частотой, чтобы в пространство отчаливали электромагнитные волны бесконечно малой длины. Но заряд — «кусочек материи», и мельтешить с бесконечной частотой ему запрещают, кроме всего прочего, законы, открытые теорией относительности. Такое мельтешение равносильно движению с бесконечной скоростью, каковой не существует.

Так, попытка достичь абсолютной точности измерений погружает физика в трясину бессмыслиц.

Но вовсе не бессмыслица стремление ко все большей точности. Спросите физика: «Можете вы узнать положение электрона в момент вашего опыта с ошибкой, не большей, чем стомиллиардная ангстрема?» Он ответит: «В принципе — могу». И назовет длину волны или частоту фотона, какой понадобился бы для этой цели. А пожелай вы еще большей точности, он назовет еще большую частоту (или, что то же самое, еще меньшую длину волны).

Правда, все эти цифры физик будет называть действительно только «в принципе». Или, лучше сказать, только для того, чтобы утешить нас, вопрошающих и жаждущих все большей точности. А втайне, про себя, физик будет знать, что на пути к неограниченной точности в измерении положения электрона неизбежно возникнет одно непреодолимое затруднение, о котором теоретикам стало известно далеко не сразу. Здесь об этом можно лишь вскользь упомянуть.

Дело в " том, то фотон — «кусочек материи» — может в подходящих условиях превращаться в другие «кусочки материи». Он может исчезать, порождая пару новых частиц — электрон и позитрон. Для этого надо прежде всего, чтобы энергии (а значит, и массы) у фотона было достаточно для рождения такой пары новых микрокентавров. Образуется именно пара частиц, обязательно — пара: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон, чтобы в сумме заряд обеих частиц был равен нулю, ибо и сам фотон имеет нулевой заряд — он нейтрален. А когда энергии-массы у фотона так много, что может родиться много пар, происходит в подходящих условиях множественное рождение электронов и позитронов. Могучий фотон гибнет, а на его месте появляется целое семейство наследников.

«Накалывание» атомного электрона «острием» сверхкоротковолнового, сверхэнергичного фотона как раз и будет сопровождаться таким множественным рождением пар. Физические условия — столкновение с атомом — для этого очень подходят. А массы у взятого для измерения фотона так много, что наследники наверняка не замедлят родиться на свет (тут уж точнее сказать: не «на свет», а «из света»). Когда же рядом с атомным электроном возникнут новые, только что сформировавшиеся, ни один экспериментатор не сможет отличить виновника происшедшего, чья координата измерялась, от расплодившихся его близнецов. Измерение окажется бесполезным. Вот что, кроме всего прочего, станет преградой на пути к увеличению точности.

3

Однако, как бы то ни было, в момент измерения координаты физик побеждает неопределенность в положении электрона. И чем точней допустимое измерение, тем полнее победа. Из двух неопределенностей одну он может, хотя бы мысленно, устранять с неограниченным успехом. Остается посмотреть: нельзя ли при этом с таким же успехом побеждать и другую? Именно — «при этом», в это же время. Иными словами, надо посмотреть, нельзя ли одновременно со сколь угодно точной информацией о положении электрона в атоме получить столь же точную информацию о направлении и быстроте его движения?

Хоть мы уже и твердили на разные лады, что нельзя, надо в этом убедиться на деле.

Когда «острие в 0,1 ангстрема» накалывает атомный электрон, соударение с очень массивным фотоном выбрасывает электрон из атомного пространства. Он удаляется из места встречи куда-то в неизвестность, буквально — в неизвестность, так как вариантов столкновения бесчисленное множество. (Еще больше, чем на старом добром бильярдном столе, потому что фотон и электрон — это не твердые шарики.) В эту неизвестность электрон уводит та скорость, какая становится его достоянием как раз благодаря столкновению с накалывающим фотоном. Значит, надо признать, что в то самое мгновенье, когда координата электрона уточняется, его скорость бесконтрольно меняется скачком.

Понимаете, что происходит, и притом — неизбежно: именно и только по вине уточняющего измерения координаты скорость делается в момент измерения еще менее определенной, чем она была бы, если б в атом не вторгся фотон и не нарушил его нормальной жизни!

И ясно, что, когда физик берет еще более тонкое, еще более разящее «острие» — фотон с длиной волны в 0,0001 ангстрема, электрон в момент накалывания претерпевает в своем движении еще несравненно большую пертурбацию. Скорость его еще разительней меняется скачком.

Такова цена возрастающей точности в измерении положения микрокентавра: это возрастающая неточность в значении его скорости. Когда первая неопределенность убывает, вторая — неотвратимо растет. И с этим ничего нельзя поделать — вот что замечательно!

Так мал и чуток микромир, что даже деликатнейшее измерение равносильно грубому вторжению в нормальное течение его жизни. В этом нет ничего неожиданного: измерение — материальный физический процесс. Измерять можно только «чем-то». Пусть физик коснется внутриатомного мира даже «перстами легкими, как сон», все равно там произойдет от такого прикосновения что-то ощутимо реальное. Эти персты, как бы нежны они ни были, не меньше того, к чему прикасаются: как и сам микромир, физические приборы по необходимости «сконструированы» из атомов, квантов, элементарных частиц. И заметьте, когда физик делал все более точные измерения координаты электрона, он в каждом опыте «выводил из строя» подопытный водородный атом — невольно удалял из него электрон. Он не мог бы проделать всю серию даже мысленных своих экспериментов на одном и том же атоме водорода. Каждый раз схему приходилось бы брать новый экземпляр, еще не тронутый вторжением. Биологи знают, что под электронным микроскопом они никогда не видят живой клетки. Поток освещающих клетку электронных волн ее убивает. Это не хирургия живых клеток, а препарирование клеточных трупов. Оно дает биологам массу важнейших сведений, но только гигантские серии опытов над тысячами клеток позволяют им статистически воссоздать картину жизни в клеточной структуре. Вот так и в микрофизике — измерение искажает объект наблюдения. Вы понимаете, как существенно было отдавать себе в этом полный отчет?

Мы могли бы попросить физика провести серию измерений координаты электрона в обратном порядке: брать все менее острые острия — все более длинноволновые фотоны. Они не так заметно нарушали бы нормальный ход движения атомного электрона. И чем «незаметней», чем «слабее» был бы фотон, тем мягче и бесформенней точка, которую ставил бы он на карте атома. Скорость электрона не так страдала бы от этих прикосновений. Но разве не видно, что уменьшение неопределенности ее измерения покупалось бы от опыта к опыту ценой увеличения неопределенности в знании координат электрона? Измерение с помощью все более расплывчатых «точек» давало бы все менее точную информацию о положении электрона в атоме.

Можно было, бы, наконец, придумать идеальный опыт для измерения именно скорости микрочастицы (или ее импульса — «масса, умноженная на скорость»). Но для этого понадобился бы новый многостраничный и без нужды утомительный рассказ, а итог был бы тем же самым: физики лишь на новый лад еще раз убедили бы нас, что обе неопределенности победить одновременно невозможно никакими уловками совершеннейших измерений.

Значит, между этими неопределенностями и вправду существует тесная связь. Предвиденная в начале предыдущей главки на том, впрочем никем не доказанном, основании, что «природа всегда точна», она, эта связь, теперь проясняется.

4

Она очень проста. Но проста той загадочной простотою, какая отличает обычно наиболее общие и фундаментальные законы природы: математическая формула выглядит скромнее «скромного, а физическая суть заставляет мучиться сомнениями целые поколения исследователей. Она таинственна и глубока. Так глубока, что дно не просматривается.

Знаете ли, что напоминает — внешне эта связь между неопределенностями в местоположении и скорости электрона? Впрочем, сравнений сколько угодно. (Именно из-за простоты этой связи.) Хочется выбрать что-нибудь понаглядней — «поближе к жизни». Ну, вот хотя бы связь между длиной и шириною комнаты с заданной площадью.

Такая комната, которая по нашему капризу превращалась то в идеальный квадрат, то в нелепо узенький коридор, однажды нам уже пригодилась на Арагаце. Но, тогда речь шла о предмете, физически совсем несложном: о том, что такое импульс космической частицы. Импульс может быть каким угодно, и воображаемая комната могла быть сколь угодно малой или большой. А теперь нам — надо вообразить, что мы имеем дело с самой маленькой из возможных комнат — такой, что «меньше не бывает», поскольку на сей раз в ней кто-то должен жить, то есть уж, во всяком случае, поместиться! Оговорив это, примемся за старое: будем варьировать ширину и длину воображаемой комнаты, не считаясь с волей жильца.

Если мы пожелаем до предела уменьшить каморку в ширину, она беспредельно вытянется в длину. Жильцу придется превратиться в плоское создание. Но при всем неудобстве жизни в таком ущелье ой не сможет пожаловаться, что его лишили хотя бы пятачка необходимой площади: она осталась той же — «меньше которой не бывает». Попытка свести до нуля длину беспредельно растянула бы комнатку в ширину. Для жильца это была бы такая же насильственная операция, но пожаловаться он снова не смог бы: площади у него и таким способом убавить никто не сумел бы. Только если бы нам заблагорассудилось уменьшать одновременно и ширину и длину каморки, жилец перестал бы быть сговорчивым. «Послушайте, — сказал бы он, — это уж слишком! Вы меня просто выселяете!»

Наше безрассудное намерение противоречило бы самому факту существования жильца с его неотъемлемым свойством телесности. И потому это намерение было бы невыполнимым. Можно представить себе лишь один случай, когда одновременное уменьшение ширины и длины все-таки удалось бы: случай, когда комнатка с самого начала вовсе не была минимальной. Тогда, конечно, ничто не мешало бы убавлять ее площадь до тех пор, пока не был бы достигнут естественный минимум — «меньше которого не бывает». А уж дальше нам пришлось бы смириться — одновременное уменьшение ширины и длины снова стало бы невозможным.

Вот так же пришлось бы смириться экспериментатору, пожелавшему одновременно свести до предельной малости неточность в измерении координаты и неточность в измерении скорости элементарной частицы.

Все, что было рассказано про идеальный сверхмикроскоп — его иногда называют микроскопом Гейзенберга, — к тому и сводится, что, оказывается, существует «каморка неточностей», меньше которой не бывает. Никаким экспериментальным насилием над природой нельзя убавить площадь этой каморки: уменьшение ее «ширины» — неточности в координате — по необходимости автоматически приводит к возрастанию «длины» — неточности в скорости. (Или неточности в импульсе, том самом импульсе, который только что мелькнул перед нами. Физики предпочитают вместо скорости говорить об этой механической величине, потому что она более содержательна: ее недаром называют еще «количеством движения» — имея направление скорости, импульс включает в себя, кроме скорости, массу частицы.)

В минимальной «каморке неточностей», как в клетке, бьются крайние возможности эксперимента.

Конечно, реальные измерения всегда обладают погрешностями.

Когда Петр Николаевич Лебедев измерял давление света, он старался работать ночами и радовался глубокому снегу за окнами: ночами редко мимо стен лаборатории проезжали экипажи, а снег смягчал сотрясение мостовой, росла надежда на точность тонких опытов. Если физик беззаботен, приборы его скверны, а опыты небрежны, в измерениях могут быть чудовищные ошибки, и подопытная частица — скажем, атомный электрон — может поселиться у такого физика не в «каморке неточностей», а в просторном «зале небрежностей». Тогда должен прийти другой физик — он усовершенствует приборы, улучшит опыты. Сразу сократится в размерах зал. Он станет скромной «комнатой погрешностей», до поры до времени не преодолимых чисто технически. Потом пройдут годы, техника эксперимента еще усовершенствуется, талантливый физик найдет новые пути измерений. Но все равно — большего, чем может дать идеальный мысленный опыт, он не достигнет. И выселить электрон из минимальной «каморки неточностей» будет уже не в его власти.

Какова же эта минимальная каморка, «меньше которой не бывает»? Конечно, это необыкновенно интересно. Но ясно, что в лабораториях экспериментальным путем физики никак не могли бы установить ее величины: ведь к ее площади всегда прибавлялся бы избыток от ошибок, вызванных просто несовершенством опытов. Только теоретически можно было найти эту величину.

Ее нашел в 1927 году Вернер Гейзенберг.

Манипуляции, которые проделывал он пером на бумаге, нам не важны. А ход его размышлений мы на ощупь уже проследили. Величина же «каморки неточностей» получилась у «его поистине замечательной. И право же, стоит понять происхождение этой величины.

5

Мы видели: все дело в том, что физик любым процессом измерения обязательно вторгается в естественный распорядок жизни микромира. Уточняя одно, он неизбежно искажает другое. Устранить такое искажение можно только ценой отказа от измерений. Но физик уплатить эту цену не может. Она для него слишком дорога, не так ли? Он хочет знать, а для этого вынужден узнавать.

И вместо отказа от измерений физик задается вопросом: какая же черта в явлениях природы не позволяет сделать нулевым или сколь угодно малым искажающее влияние неизбежного вторжения в микромир?

В течение тридцати лет многие философы и физики — у нас и на Западе — считали это недостатком квантовой механики, а не свойством природы.

Они полагали, что классическая механика была гораздо совершенней: она допускала в принципе одновременную абсолютную точность любых измерений. Она признавала просто никуда не годным эксперимент, при котором измеряемое хоть как-то зависело от процесса измерения. Астроном глядел в телескоп на Луну и, конечно, понимал, что от его глядения с Луной решительно ничего не происходит. И он действительно был вправе не задумываться над тем, что кто-то Луну освещает, давая ему тем самым возможность воочию ее наблюдать. Этот «кто-то» — свет Солнца, прямо падающий на Луну или сначала отраженный от Земли. Но астроном был вправе не задумываться над этой стороной дела только потому, что потоки солнечных фотонов никакого заметного влияния на движение Луны оказать не могли. (Тут та же история, что с волнообразностью Земли или дробинки.)

Так неужели ученые-мечтатели, тоскующие по классической «точности знания», не понимали этого простого обстоятельства? Конечно, понимали. Однако они думали еще о том, что классическая физика никогда не запрещала с абсолютной точностью учитывать любые вынужденные неточности экспериментов. Хотя бы в принципе! Разумеется, астроном пренебрегает давлением света на Луну и прочими деталями взаимодействия ее громады с фотонами. Но в принципе, теоретически, он может абсолютно точно знать, чем пренебрегает. Не приблизительно, а совершенно точно! Стоит только подсчитать это. Технические трудности не важны — важно, что никакие законы природы, познанные классической физикой, этому не мешают.

Так рассуждали и рассуждают тоскующие мечтатели. Их не устраивает, что вдруг появилась наука, которая утверждает, что абсолютной точности астроному при всем желании ни практически, ни теоретически не добиться. Его ждет у заветной цели хоть и малая, но уже не уменьшаемая «каморка неточностей». И как бы ни были скрупулезны его поправки, движущаяся Луна раньше или позже поселится в этой каморке и пригвоздить ее к абсолютно точной орбите уже не удастся. Правда, тут возникает чудовищно малая по астрономическим масштабам неточность. знания, до смешного малая, но не в размерах ее дело: в принципе «нехорошо получается». Наука словно бы сама ограничивает свои возможности. Вот что смущает. Смущает многих — всех, кто привык в старой, мудрой и «такой понятной» классической физике видеть идеальный образец постижения законов природы. А ведь к этому с детства, со школы, привыкают все.

Сколько раз мы убеждались на предыдущих страницах, как тяжко расставаться с извечными убеждениями! И нам легко понять, отчего философы-механисту и физики-классики объявили внутренней слабостью квантовой механики ее откровенное признание, что она вовсе не всегда может считать и измерять абсолютно точно. И вот уже тридцать лет «квантовики» вынуждены объяснять неверующим, что незачем их, теоретиков, побивать камнями: тут не их вина — тут открылись глубинные свойства самой материи, которые можно было заметить только на микроуровне бытия природы. Это с предельной ясностью отразилось именно в размере минимальной «каморки неточностей».

Оценить, ее величину можно совсем просто. И для этого вовсе не надо снова обращаться к какому-нибудь воображаемому опыту, вроде разглядывания, электрона под сверхмикроскопом Гейзенберга.

6

Суть в том, что при всяком способе измерения координаты или скорости любой элементарной частицы, да и вообще при любом измерении физик должен заставить микрокентавров заговорить — дать ответ на заданный вопрос. От атомной системы, подвергнутой измерению, должен прийти ответный сигнал. Не придет сигнал — физик ничего не узнает. Если откинуть все технические подробности, которым несть числа, сущность любого измерения только в том и состоит, чтобы заставить атом или элементарную частицу послать какой-нибудь ответный сигнал. Так атомный электрон должен был отразить (рассеять) пришлый фотон, дабы тот сообщил экспериментатору, где довелось ему встретиться с электроном.

А сигнал никому не дается даром! Ни измеряющему, ни измеряемому. В этом все дело.

Никого не удивляют материальные лабораторные затраты — каждому ясно: прибор должен действовать, чтобы измерять. Но с ответными — и тоже вполне материальными — затратами природы, отвечающей на вопросы экспериментатора, ученые мало считались до атомной поры. Микромир принудил их стать более справедливыми. Из-за малости атомов и частиц ответный сигнал обходится микромиру очень дорого. Это и есть искажающее влияние измерения.

Что же тратят на свой ответ атом или частица?

Энергию и время!

Сигнал может быть энергичен, но короток. Или слаб, но длителен. Экспериментатора устроит и то и другое: ему важно лишь, чтобы измеряемая система совершила поступок, откликнулась действием! (Слово «поступок» здесь — от беллетристики, но слово «действие» — от физики.) Вот что можно для нашей цели принять за меру ответного сигнала: количество действия.

Она, эта величина, — энергия, помноженная на время, — была введена в науку о движении тел очень давно, кажется еще в доньютоновские времена, а с середины XVIII века стала уже одним из главнейших понятий классической механики. И хотя у этого понятия нет такого обиходно-ясного смысла, как у силы или работы, как у скорости или ускорения, тот, кто придумал термин «действие», мыслил наглядно и просто.

В XVIII веке француз Мопертюи, прекрасно образованный драгунский капитан, которому наука показалась интересней, чем война, стал астрономом, геодезистом, механиком и оставил по себе бессмертную память, завещав теоретической физике «принцип наименьшего действия». Не заботясь об аргументах более строгих и более доказательных, он ссылался на мудрость «создателя и управителя вселенной», который, по его мнению, не допустил бы бесполезной траты работы и времени. Бывший драгун умер на руках монахов-капуцинов. И не случайно, занимаясь физикой, он думал совершенно всерьез, что это господь бог разглашает его устами свои административные тайны — рассказывает, как управляется он со вселенной. Но вопреки мистическому самообольщению Мопертюи тайна наименьшего действия выглядела как закон экономного самоуправления материи:

«Если в природе происходит само по себе какое-нибудь изменение, то необходимое для этого количество действия есть наименьшее возможное».

Затрачивая специальные усилия, камень можно заставить падать на землю и по спирали и по ломаной линии, но, предоставленный самому себе, он «выберет» в поле тяготения наименее расточительный путь — отвесный. Встретив плотное вещество линзы, световой луч преломится в ней под таким углом, чтобы затрата энергии и времени на полет через стекло была для него тоже минимальной.

Всегда и всюду соблюдается в природе этот принцип. И столетие спустя после Мопертюи, в 40-х годах XIX века, благодаря трудам, почти одновременным и независимым, двух гениальных математиков — Михаила Остроградского в Петербурге и Вильяма Гамильтона в Дублине — этот принцип стал руководящим в классической механике. Над его глубоким смыслом задумывались многие физики и философы.

Вот только в школе, даже в десятилетке, принцип наименьшего действия «не проходят». Не проходят самого представления о действии. Не хватает времени! На множество ненужных вещей, которые большинству ребят никогда не пригодятся в практической жизни и ничего существенного не открывают в картине природы, времени достает. (В классе горят электрические лампы, а учитель натирает палочку шерстью, чтобы показать существование электричества. Школьники, которые вовсе не собираются стать электротехниками, зубрят правило Кирхгофа и возятся с расчетными задачками, чувствуя, что добытые в поту решения ничем не обогащают их бедный разум и бедные души.) Но неизбежно настанет пора, когда школьная программа по физике сделается программой физического понимания мира. Тогда на уроках механики учителя заговорят и о таком старинном предмете, как действие.

Старинном? Зачем же в таком случае беспокоиться о нем?! А затем, что в наш атомный век этот старинный предмет приобрел необычайную новизну — новый великий смысл, о котором не подозревали ни Мопертюи, ни Остроградский, ни Гамильтон.

Слова «наименьшее действие» обрели в микромире еще одно значение. Удивительное значение. Это случилось в тот день, когда родилась квантовая физика — в тот счастливый декабрьский день 1900 года, когда Макс Планк отважился доложить Немецкому физическому обществу свою «рабочую гипотезу» квантов энергии.

Конечно, его коллеги с недоверием отнеслись к открытию, что существуют минимальные порции излучения, «меньше которых не бывает». Помните, он и сам-то с опаской посматривал на свою поразительно простую формулу для величины этих неделимых «атомов энергии»: Е = h·ν (аш-ню). А между тем из этой формулы Планк совершенно бесплатно добыл еще одно не менее удивительное и не менее смущающее знание: в природе существует минимальное действие, «меньше которого тоже не бывает»!

7

Эта формула встретилась нам однажды, когда шел рассказ о появлении идеи фотонов — световых частиц. Она была написана там праздно, ради одной ее скромной простоты. А можно было уже тогда полюбопытствовать, что это за постоянная величина «h», которую достаточно помножить на «ν» — частоту колебаний в источнике, чтобы сразу стала известна наименьшая порция энергии, источником излучаемая? Таинственная постоянная величина. Всюду и всегда неизменная. Одинаковая для любых неделимых порций энергии — для квантов синего света и красного, зеленого и желтого, невидимого рентгеновского или невидимого радиоизлучения.

Нет, в самом деле, очень таинственная постоянная! Подумайте сами, в какие глубины единства материи уводит она Мысль…

Ведь закону Планка могут подчиняться не только порции излучения светового. Ни в представлении об энергии, ни в понятии частоты ничего специального, «обязательно электромагнитного», нет. Этого не надо доказывать. И если существование какого-нибудь сгусточка энергии связано с каким-нибудь волновым процессом, формула Планка будет и тут пригодна. В таком расширении первоначального представления о квантах излучения, собственно, и состояла идея де Бройля, когда он заговорил о «волнах материи». Это была гениально простая идея.

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 — 6,6237·10-27 эрго-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?)

Вот и пройден утомительно многоречивый путь к самому странному и самому основному закону квантовой механики — соотношению неточностей Гейзенберга. Мы так долго шли к нему, что, право же, было бы жаль не записать этот закон математическими значками и упустить случай еще раз убедиться, как просто выглядят самые глубокие законы природы:

Δx·Δp≈h

где Δх — «дельта икс» — неточность координаты — ширина «каморки неточностей»,

Δр — «дельта пэ» — неточность импульса — длина «каморки неточностей»,

≈ — «приблизительно равно».

Вот и все!

8

Вот и все?

Нет, даже в этом рассказе только про самое главное («к черту подробности!») это далеко не все.

В конце концов какое нам дело до неточностей измерений? Элементарные частицы существуют и движутся, не справляясь, наблюдает их человек или нет. Микромир переживает свою историю, не осведомляясь о намерениях экспериментатора. Что нам до неточности знания, если мы абсолютно убеждены, что сама природа точна! Физики приходят и уходят, а мир остается. Так к чему же относится закон неточностей — к свойствам квантовой механики или к устройству мира?

В сущности, ответ уже был дан на предыдущих страницах: к устройству мира! Но тогда зачем весь разговор опирался на измерения — на взаимодействие микромира с нашим лабораторным прибором?

Это у каждого возбуждает подозрения, какие тридцать пять лет одолевают многих физиков и философов: а не приписывает ли квантовая механика природе то, чего в ней вовсе и нет? Может быть, это всего лишь «приборная физика»? Может быть, когда мы не вторгаемся в глубины материи, не ломаем там стулья и не бьем посуды, все события во владениях атома происходят по-другому? По-другому — это значит по старому образцу, с идеальной классической определенностью. Может быть, на самом деле электрон в атоме водорода ходит вокруг протона все-таки по точной боровской орбите, как Луна вокруг Земли ходит по орбите кеплеровской? Может быть, квантовые закономерности нужны только, чтобы объяснить неклассические перескоки с орбиты на орбиту (прерывистость спектра), а в остальное время электрон вполне добропорядочный пай-шарик? Известный рентгеноскопист-кристаллограф, президент Английской академии Брэгг-старший смешно говорил, что согласно первоначальной половинчатой теории Бора физики должны были по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми. Так, может быть, если ничего не измерять — не накалывать электрон фотоном, он по крайней мере по понедельникам, средам и пятницам ведет себя «как надо» — ходит по точным орбитам?

Словом, не от этих ли проклятых измерений все беды? И не есть ли квантовая механика с ее соотношением неточностей только наука об этих бедах — наука о переломах, а не о здоровой жизни микромира?

XX век расширил права многих старых слов.

Информация… В шутку говоря, прежде это был звучный латинский синоним для житейского слова «сплетни»: подразумевался рассказчик, передающий сведения и новости, важные и неважные. Информация была человеческим делом и более ничем. И вдруг открылась великая роль передачи физических сообщений во всех звеньях живой и неживой природы. И старое слово приобрело новые грандиозные права: теория информации сделалась основой кибернетики — современнейшей из наук, ставшей по глубине постижения мира неожиданной соперницей самой физики — науки древнейшей.

Измерение… Прежде это виделось так: на одной стороне сцены познания — мальчик с линейкой в руке или седой звездочет под артиллерийской громадой телескопа, а на другой стороне — безучастная природа, слепой и нечувствительный идол, даже не подозревающий, что его обмеривают вдоль и поперек. И вдруг идол проснулся. Открылось, что измерение — физическое событие, к которому природа вовсе не может быть безучастна. Открылось, что процесс взаимодействия измеряющего с измеряемым сопровождается серьезными последствиями. Из чисто человеческого дела ход измерения стал еще и предметом озабоченности самой природы. И соотношение Гейзенберга показало степень этой озабоченности.

«Элементарный квант действия. Эта постоянная и есть тот таинственный посол из реального мира, который вновь и вновь появлялся на сцену при различнейших измерениях и… настойчиво требовал себе места в физической картине природы». Так говорил Макс Планк.

Вы слышите: посол из реального мира!

Да, конечно. Ведь любое измерение — только подражание тому, что может произойти и происходит в самой природе.

Когда потоки солнечных фотонов врываются в атмосферу Земли и рассеиваются на молекулах воздуха, они делают точно то же, что накалывающий фотон под воображаемым микроскопом Гейзенберга: они «измеряют положение» встречных молекул. Разница лишь в том, что никто не регистрирует результаты этих измерений. Природе это без надобности. А физик не может воспользоваться плодами таких бесконтрольных событий — ему неизвестны условия внелабораторного опыта. Но вспомните: синева неба подводит итог этого грандиозного эксперимента, который невольно ставит природа. Мопертюи сказал бы, что так «управитель вселенной» измеряет местоположение атмосферных частиц. Однако бывший драгунский капитан должен был бы признать, что тогда господь бог поступает не очень-то разумно: он использует для опыта не самые подходящие фотоны — слишком длинноволновые. И Вольтер, который издевался над идеей бога и над Мопертюи, мог бы с помощью квантовой меха? ники лишний раз доказать, что «управитель вселенной» и не мудр и не всемогущ, то есть лишен своих определяющих атрибутов и, следовательно, не существует.

Нет, природа ставит свои эксперименты бесцельно: в беспрерывном сплетении взаимодействий — ее жизнь, ее история. А все эти взаимодействия — как бы акты измерений. Всевозможнейших, всесторонних измерений, о каких физики могут только мечтать. Разве существенно, что никто не ведет при этом лабораторного дневника?

В рабочей части любого прибора не происходит ничего сверх того, что имеет место в самой природе. Измерение вправе носить две фабричные марки: «Сделано в лаборатории» и «Совершено в микромире». И потому квантовая механика вовсе не «приборная физика», а настоящая «природная физика». Оставим философские тонкости, а заодно и грубости, которых столько наслушались ученые-атомники со стороны идеалистов и со стороны мнимых материалистов. Поймем, вслед за Максом Планком, что непрошеный гость — квант действия со своей «каморкой неточностей» — появляется на сцене познания только потому, что его уполномочивает на это природа! В лаборатории он — таинственный посол из реального мира, а в реальном мире — обыкновеннейший гражданин.

В измерениях с маркой «Сделано в лабораторий» — неустранимые неточности.

В измерениях с маркой «Совершено в природе» — неустранимые неопределенности.

Не стоит даже говорить, что первые — порождение вторых. Это просто одно и то же! Но лучше не называть закон Гейзенберга «соотношением неточностей»: это возбуждает напрасные сомнения — сомнения в объективной ценности завоеванных квантовой механикой знаний.

Наш известный теоретик академик Владимир Александрович Фок, как и многие другие физики, именно потому и предостерегает от словоупотребления — «соотношение неточностей». А он — один из заслуженных ветеранов квантовой механики и участник многих философских схваток вокруг проблем новой науки. Его предостережение звучит как голос с поля боя. В настаивании на лабораторных неточностях вместо обсуждения неопределенностей в самом микромире ему слышится отголосок давно пройденной поры, когда часто еще думали, что импульс и координата электрона «на самом деле» всегда имеют определенные значения и лишь «по какому-то капризу природы не наблюдаемы одновременно».

Разговор о неточностях в этом рассказе был вынужденным: надо же было воочию убедиться, что неопределенности действительно неустранимы, но что между ними есть закономерная связь. А теперь уже ясно, что природа не капризничает в лабораториях, но обнаруживает там свои законы. Соотношение неопределенностей, или принцип неопределенности Гейзенберга, — один из таких фундаментальных законов природы.

Своим существованием и своей универсальной важностью он обязан коренному свойству материи — ее двойственности: волнообразности элементарных частиц. Тут истоки всего.

Кто-то из англичан придумал даже новое слово для микрокентавров — «уэйвиклс», в переводе на русский — «волницы». А мог бы придумать «частолны». Это были бы синонимы. Для вольного рассказа о квантовой механике такие слова, пожалуй, даже полезны: они доказывают, что новой науке пришлось иметь дело с новыми сущностями, для которых в старом словаре нельзя было найти нужных слов. Но самой квантовой механике ни «волницы», ни «частолны» ничего дать не могли бы: словесными фокусами не решалась поистине драматическая задача — познать в классических понятиях неклассический мир утраченных траекторий. Надо было понять, как волнообразность ограничивает права частиц и как корпускулярность ограничивает права волн. И надо было познать, какою ценой сохраняет свое могущество и в микромире единственно нам доступное представление о движении, как о процессе, протекающем во времени и пространстве. Какою ценой! — вот что надо было открыть.

И теперь можно досказать, чем кончился тот эпизод 1926 года, когда двадцатипятилетний Вернер Гейзенберг обвинил своего шефа Макса Борна «в измене»… Помните, Борн стал доискиваться физического смысла волновых идей Эрвина Шредингера, и это вызвало негодование Гейзенберга, строившего новую механику с другого конца. Прорывая тоннель, он не догадывался еще (как и никто в ту пору не догадывался об этом), что Шредингер своей работой прошел ему навстречу с той стороны горы «волновую половину» пути.

Их разделяла тонкая перемычка стыка. Еще шаг — и она рухнула бы. Но кто мог знать это заранее! Однако именно Гейзенберг сделал этот решающий шаг, после которого открылся светлый сквозной тоннель: волны и частицы, прерывность и непрерывность перестали, наконец, враждовать. Тогда сразу погасла и вспышка одностороннего гейзенбергского пристрастия. «Вскоре он опомнился, — рассказывает Макс Борн о своем гениальном ассистенте, — и нашел удивительный способ примирить корпускулярную и волновую картины…»

Этим удивительным способом и оказалось соотношение неопределенностей, открытое в 1927 году.

9

И снова — рано еще ставить точку.

«Открытие принципа неопределенности является, как мне кажется, одним из величайших триумфов человеческого ума», — эти слова принадлежат крупнейшему нашему теоретику академику Льву Давыдовичу Ландау. К «им нельзя не прислушаться: спросите физиков — когда Ландау говорит «мне кажется», это почти наверняка означает «так оно и есть».

— Этот принцип, — оказал Ландау о соотношении неопределенностей в речи на торжественном заседании, посвященном столетию со дня рождения Макса Планка, 17 апреля 1958 года, — противоречит всему тому, во что мы привыкли верить на основании своих ощущений, к чему мы привыкли с раннего детства. Мы привыкли к большим масштабам — атома же никто из нас не видел своими глазами. Поэтому мы не можем ощутить своим внутренним чутьем, как происходит движение в атоме, и тем не менее изучить это движение научными методами оказывается возможным. Открытие принципа неопределенности показало, что человек в процессе познания природы может оторваться от своего воображения, он может открыть и осознать даже то, что ему не под силу представить. В этом — величайшая заслуга принципа неопределенности.

…Оторваться от своего воображения.

…Осознать то, что не под силу представить.

Когда академик Ландау однажды повторил эти слова перед писательской аудиторией, они произвели на слушателей глубокое впечатление. Тем более глубокое, что для людей искусства «оторваться от воображения» — все равно что отказаться от творчества. Но и любому человеку необходимость «осознать то, чего нельзя представить», рисуется мучительным испытанием. И даже безнадежным. Повседневная жизнь таким испытаниям людей никогда не подвергала. Однако будет ли так всегда?

Впрочем, часто говорят, что через подобные муки мышления человечество уже проходило. Говорят, например, что это имело место тогда, когда стала научной истиной шаровидность Земли и люди должны были осознать, что их антиподы «на той стороне» планеты не падают вниз головой. Тоже казалось, что этого нельзя себе представить, а осмыслить было необходимо.

Но нет, тогда люди встретились с совсем другими муками мысли. Не составляло никакого труда вообразить, что Земля — шар. Это требовало несравненно меньших усилий, чем представлять себе плоский диск на трех слонах и трех слонов на спине кита. Достаточно было обмазать медом яблоко и посадить двух мух — «внизу» и «наверху», чтобы создать домашнюю модель земного шара и непадающих антиподов. Трудно давалось совсем другое: мысль о липком меде тяготения. Короче говоря, испытание для мышления было прямо противоположным: подлежало осознанию то, что легче легкого было вообразить, но что как раз благодаря своей скульптурной ясности выглядело непонятным.

Современная физика предлагает понимать непредставимое. Никаких домашних моделей! И впереди — ни малейшей надежды на возврат к былой наглядности физического знания.

А тем временем это новое знание становится на наших глазах материальной силой истории. Тем временем отзвуками его достижений полнится живая повседневность нашего века. Тем временем физика вторгается в мысли людей о будущем.

Вообще-то говоря, можно и сегодня, как в XVI веке, довольно бесхлопотно пребывать на Земле, не подозревая, что она вращающийся шар. Но человек не может не думать о том, как устроен мир. И если он не знает, что Земля шарообразный волчок, он думает, что она неподвижная плошка или что-нибудь в этом роде. Но тогда и обо всем на свете такой человек думает что-то «не то» и что-то «не так». Может ли быть иначе? Этот человек пропустил века человеческой культуры. И вряд ли можно довериться даже его поэтическому воображению: оно наверняка искажает мир! Образы, в нем зародившиеся, не могут принадлежать ни современности, ни завтрашнему дню истории.

Близкое будущее атомной техники…

Выход землян за пределы Земли…

На всех материках люди раздумывают об этом. А юноши нашей страны с еще большим историческим правом, чем их сверстники в других странах, относятся к этим проблемам с веселой и реальной озабоченностью будущих астронавтов или диспетчеров ядерной энергетики. Они не могут отмахнуться от странных триумфов сегодняшней физики, даже если и не собираются стать физиками, а хотят только чувствовать себя современниками будущего. Надежды века заставляют сегодня и далеких от естествознания людей «осознавать то, чего нельзя представить». А завтра к этому принудит всех простая повседневность жизни. И наши потомки, чей ум будет с детства, со школьной скамьи, оснащен пониманием непредставимого, окажутся людьми и гораздо более тонкого воображения, чем мы с вами. Сколько нового и неожиданного создадут они в искусстве, так же как и в науке!

Об этом и о многом другом думали писатели, находясь под впечатлением того, что сказал академик Ландау.

А он, обронив свою мысль как бы между прочим, добавил еще, что квантовая механика с ее принципом неопределенности увела ученых гораздо дальше от привычного опыта, чем теория относительности.

Можно только удивляться, с какою стремительностью это новое, такое «неудобное», лишенное наглядности знание овладело умами физиков: за первые два года истории квантовой механики появилось в разных странах около тысячи работ по ее проблемам! Это был лес рук, проголосовавших «за». Но нельзя удивляться, что голосование не было мирным. Новая наука росла, как и рождалась, в атмосфере ожесточенных схваток с инакомыслящими и бесконечных споров среди единомышленников.

Нам уже это знакомо. Но вот один занятный эпизод, который жалко было бы здесь не рассказать. А вспомнился он к месту, ибо связан с именем академика Ландау.

10

Кстати говоря, громкое имя Ландау раньше или позже все равно обязательно встретилось бы нам на этих страницах — так много сделал он для науки об элементарных частицах материи.

Как некогда Томсона-старшего, первооткрывателя электрона, физики называли просто Джи-Джи, вкладывая в это дружелюбное прозвище всю полноту признания его заслуг и прав на особое место за круглым столом мировой науки; как Игоря Васильевича Курчатова атомники дружески называли в своей среде просто «Бородой»; как Абрама Федоровича Иоффе специалисты по полупроводникам называли во всем мире «папа Иоффе», так уже много лет Льва Давыдовича Ландау физики называют между собой коротко и просто — «Дау»…

Это знак тех же чувств. Это признание тех же прав на особое место в науке. «Дау полагает, что это вздор», «А что думает об этом Дау?» — так говорят теоретики. «Я хотел бы познакомиться с Дау», — так говорил, гостя в Москве, американский писатель-физик Митчел Уилсон.

Из года в год, из месяца в месяц, из недели в неделю каждый четверг ровно в 11 часов начинается теоретический семинар Ландау в Институте физических проблем Академии наук. Ровно в одиннадцать. «Точность — это вежливость королей, — напомнил однажды Ландау опоздавшему кандидату старую крылатую фразу и добавил: — Боюсь, вы не станете королем!» Давнишний эпизод, рисующий атмосферу тех лет, когда были молоды и квантовая физика и Ландау, к нынешним семинарам отношения не имеет. Но он становится тотчас понятен каждому, кого необходимость или любопытство хоть однажды приводили в четверг в 11 часов в здание около Калужской заставы.

…Вот ученый Икс делает сообщение о новых работах — сообщение сугубо специальное, доступное в тонкостях лишь узкому кругу посвященных. Постукивает мел по доске. В аудитории тишина — та лекционная тишина, когда право громкого голоса принадлежит только одному — тому, у кого мелок в руке. Но неожиданно в этой тишине раздается стремительный вопрос. Все поворачивают головы к высокому, очень худому человеку, чей профиль неумолим, как клинок. Седеющие волосы над атакующим лбом, в огромных глазах — внимательность и нетерпение. (Детали, побалуй, и лишние, однако трудно не упомянуть их.) Возникает дискуссия — острая, не терпящая отлагательств. В быстрых вопросах и репликах высокого человека звучат и сомнения, и несогласие, и ответы, не найденные самим Икс. «Дау, конечно, прав…» — вполголоса говорит в аудитории один сосед другому. А сообщение продолжается. Только уже безвозвратно исчез дух лекционного спокойствия. Тишина стала ненадежной — вот-вот она взорвется новой вспышкой внезапной дискуссии.

Я рассказываю об этих впечатлениях стороннего зрителя потому, что мгновенная реакция Ландау на темные места в любой работе., молниеносное обнажение незаметных противоречий, безотказное распутывание запутанных клубков ошеломляют. (Кажется, будь этот человек шахматистом, он, может быть, и знал бы редкие поражения, но никогда не делал бы ничьих и. ведать не ведал бы, что такое цейтнот.) Никому не видимый процесс научного мышления становится как бы зримым и мускульно осязаемым по крайней мере раз в неделю — по четвергам, после одиннадцати утра, в московском Институте физпроблем. И там приходят на память ломоносовские слова о «быстрых разумом Невтонах».

Участники всемирно известного «теорсеминара» к этому давно привыкли. Но то, что продолжает неизменно их удивлять, — всеведение Ландау. Его «равная заинтересованность и равная компетентность в разнообразнейших вопросах, как великих, так и малых, — по признанию одного физика — вызывают порой недоумение и недовольство среди участников руководимого им семинара, когда обсуждение распадов элементарных частиц внезапно сменяется не менее подробным обсуждением свойств квасцов!»

Однажды в ответ на вопрос журналиста: «Чем вы занимаетесь нынче?» — Ландау с улыбкой сказал:

— Я многопредметник, один из немногих оставшихся универсалов. Когда я начинал — моя первая работа была опубликована в конце 1926 года, — все теоретики были универсалистами, то есть занимались разными вопросами. Теперь универсализм скис, потому что теоретическая физика очень разрослась…

Первая работа — 1926 год. Но ведь это год рождения квантовой механики? Да. И восемнадцатилетний студент Ленинградского университета сумел тогда сразу почувствовать запах будущего уже в первой статье Шредингера. Он был едва ли не первым, кто прочел эту статью у нас, и, уж во всяком случае, первым, кто сполна ее оценил. «Дау открыл волновую механику, когда ему было восемнадцать лет…» — в шутку говорят его ученики. По следу шредингеровской статьи сделал он и свою первую квантовомеханическую работу. Универсализм начался с интереса к самым передовым физическим идеям века.

И вот обещанный эпизод…

Его рассказал один из учеников Нильса Бора, приехавший в феврале 1931 года в Копенгаген на очередное паломничество к учителю. Прошло больше пятнадцати лет с той поры, когда сам Бор бывал таким же паломником у Резерфорда, когда идея квантовых скачков спасла планетарную модель англичанина и положила начало современной теории атома. Время сделало Нильса Бора крупнейшим авторитетом в квантовой физике, и с конца 20-х годов к нему постоянно съезжались молодые теоретики из разных стран.)

Едва переступив порог боровского института, вновь приехавший осведомился о последних новостях в Копенгагене.

как осведомляются об обстановке на фронте. Ответ он получил довольно неожиданный — известный физик Гамов молча протянул ему искусный рисунок, только что сделанный почти с натуры. Там был изображен Ландау, накрепко привязанный к стулу. Рот его был заткнут. Перед стулом стоял Бор с поднятым указательным пальцем. Он говорил: «Погодите, погодите, Ландау, дайте и мне хоть слово сказать!»

Споры с двадцатитрехлетним теоретиком из Советского Союза были последней фронтовой новостью в Копенгагене. Ландау прибыл тогда к Бору с новой работой. Он выполнил ее вместе с молодым английским физиком Пайерлсом. Бор не соглашался с выводами этой работы, а в ней «были рассмотрены весьма тонкие вопросы, связанные с соотношением неопределенностей».

— Такая вот дискуссия идет все время, — сказал автор рисунка. И добавил, что Пайерлс уже не выдержал: уехал из Копенгагена в состоянии полного изнеможения.

Но Ландау остался еще на несколько недель. И в ближайшие дни, наблюдая сам происходящие споры, ученик Бора смог убедиться, что на рисунке Гамова положение дел было преувеличено «лишь в пределах, обычно признаваемых художественным вымыслом». Этому рисунку, с сожалением говорит он, вероятно, «дали погибнуть, прежде чем осознали его историческую ценность». К счастью, сохранился хоть рассказ о том эпизоде, так красочно иллюстрирующем эпоху бури и натиска в физике микромира.

Касаться сути тех споров нам, разумеется, не по плечу, да и незачем. Но вы, конечно, заметили, что они вертелись именно вокруг соотношения неопределенностей. Речь шла о тонкостях теоретического рассмотрения в свете этого принципа вопросов целой науки — электродинамики. И между прочим о том множественном рождении пар частиц, о котором мы недавно говорили. С рассказанного эпизода ученик Бора начал статью к 70-летию великого датчанина (октябрь 1955 года), а всей статье он предпослал эпиграф из латинских стихов: «И несогласие может рождать согласие!»

В квантовой физике все так и происходит на протяжении десятилетий.

 

Глава пятая

«Трещина мира прошла через мое сердце». — Новое законодательство. — Вначале были волны. — Частицы растворяются в пространстве. — Осеняет ищущего. — «Вдвоем приведения не увидишь». — Куда же упадет электрон? — Разгаданные пси-волны. — Вероятностный мир. — Эйнштейн согласен с нами, а не с Бором. — На чьей стороне природа?

1

Принцип неопределенности надо бы назвать и знаменитым и замечательным законом — у него на это все права. Но если выбирать один эпитет, да поточнее, большинство физиков, наверное, сошлось бы на слове многострадальный.

Вот где заключена нешуточная драма идей.

Чего только не писали об этом принципе! Как только не толковали его! Каким анафемам не предавали! В нем находили даже попытку покуситься на материальность вселенной. Его привлекали даже для обоснования идеи бога. Такое тихое на вид соотношение неопределенностей оказалось чем-то вроде постоянно действующего вулкана.

Физики стали разговаривать из-за него на языке философов и публицистов. Философы и публицисты стали изъясняться языком физиков. Доктора богословия почувствовали интерес к естествознанию. «Трещина мира прошла через мое сердце», — говорил в прошлом столетии Гейне. «Трещина мира прошла через наш разум», — могли бы перефразировать великого поэта многие ученые нынешнего столетия. Тут коренится и причина неустроенности в душе де Бройля, с которой начался весь этот рассказ.

Но как нефизику и нефилософу ощутить во всей силе чрезвычайность происшедшего? Может быть, достаточно выразить суть многострадального принципа обыкновенными словами? Тогда все сведется к одной непредвиденной фразе:

— Природа вовсе не точна!

Довольно трудно произнести такую фразу. Еще трудней — положить на бумагу. Еще труднее — осмыслить. Но к этому мы уже совершенно готовы.

Надо только одновременно произнести еще и другую фразу, которая и на бумагу ложится легко и в сознании нашем умещается с привычным удобством:

— В природе все закономерно!

Однако эта истина так стара, что кажется — зачем на нее ссылаться? Тем более, что она ведь автоматически включена в содержание принципа неопределенности: он не домысел, а количественный закон, управляющий неточностями. Но в том-то все и дело, что нечто несуразное чудится в самом сочетании обоих утверждений:

— Природа закономерна, но не точна.

В каждом физике дремлет философ. Он должен был проснуться, услышав такое! Должны были встрепенуться и все философы, занимавшиеся естествознанием: надо было освоить открытия квантовой механики с точки зрения онтологии (учения о бытии) и гносеологии (учения о познании). Словом, речь зашла об очень ответственных и серьезных вещах.

И вот я в затруднении: как дальше вести этот рассказ? Если ты, читатель, уже терпеливо дошел до этого места, я вправе считать, что мы товарищи по путешествию, и с моей стороны было бы нечестно скрыть от тебя, что нас ожидает самый трудный кусок пути. Самый трудный потому, что дорога обманчива. Она ровна — все завалы на ней легко обойти. Но надо двигаться вдоль обрыва. А подстерегающие ужасны — можно оступиться во всяческие «измы»: одно их перечисление наводит дрожь — солипсизм, позитивизм, операционализм, индетерминизм, волюнтаризм, фидеизм, инструментализм, пробабелизм и бог весть что еще. Но, держась единственного «изма», который дорог нашему разуму и мил нашему сердцу, держась материализма диалектического с его всеобъемлющей широтой, завещанной нам ленинскими мыслями о природе, не приглядываясь к красным светофорам, которые любят расставлять мнимые диалектики-догматики — «дорога запрещена!» — мы в эти пропасти не оступимся. Однако есть другая опасность — самая скверная: полететь в пустоту полного мучительного непонимания. Это уж непоправимо. А как избежать сей беды?

Писать непонятно — лучше не писать. Несчастье в том, что вникать в специальный язык физиков нам, людям, занимающимся в мире другими делами, невыносимо тяжко. Но этот язык науки возник и обосабливается в человеческом словаре не по капризу ученых-изуверов: он — инструмент познания. Отточенный инструмент. Между тем «устройство природы» и «устройство познания» касаются всех нас — решительно всех. А язык всех не строг, не обязателен, не однозначен. Как же быть? Неужто отступиться и замолчать в страхе и уважительном трепете перед ответственностью и серьезностью предмета?

И, наконец, еще: физики XX века столько настрадались от философских наветов и непонимания, а философы столько натерпелись от заумности физических теорий и философской беззаботности физиков, что в этом рассказе о поисках «правды природы» — о неизбежности странного мира — надо бы их взаимному мучительству отдать многостраничную дань. Однако тогда нам вообще не пройти остаток пути… Что же делать?

Я понимаю — другого выхода нет: надо как-то выкручиваться, раз уж такая долгая дорога позади. Но читатель и автор должны выкручиваться вместе, Тут потребуется немножко больше внимания, чем прежде. И, кроме того, немножко больше снисходительности к многоречивости нестрогого, ненаучного языка.

2

Итак, природа закономерна, но но точна. Как освоиться с этой мыслью?!

Представьте, что Луна сказала астрономам:

— А знаете ли, друзья, отныне я вовсе не уверена, что предсказанное вами затмение состоится. В моем движении, оказывается, есть неопределенность. И теперь, чем черт не шутит, может случиться так, что я и не появлюсь в назначенное вами время в назначенном месте…

Астрономы-классики остолбенели бы от изумления, услышав такое. И не потому, что Луна вдруг заговорила человеческим языком (это бывало в сказках), а потому, что она высказала нечто невероятное (чего не бывало в науке). А каково почувствовали бы себя классики-звездочеты, если б Луна еще добавила:

— Поверьте, во времена Гиппарха, Кассини, Гершеля и даже совсем недавно — скажем, во времена Бредихина — я и не подозревала, что моей массе свойственна какая-то волнообразность. Правда, говорят, совершенно ничтожная, но все-таки обнаружилось, что я не просто небесное тело, а тело-волна. Поэтому если я буду не совсем точна и обману ваши ожидания, то не сердитесь — такова истинная закономерность моего движения.

Пропустив мимо ушей всю болтовню Луны по поводу какой-то ее волнообразности, астрономы-классики обратили бы внимание прежде всего на ее последние слова. Они подумали бы: либо природа сошла с ума либо у них начались галлюцинации слуха. Какая же это закономерность, когда она не допускает абсолютно достоверных предвидений? Какой же это закон движения, когда самой природе остается заранее неизвестным, куда приведет он движущееся тело?!

Как и в сознании классиков-звездочетов, в нас живет (непоколебимое убеждение, что закономерное в природе — обязательно точное.

Мы часто посмеиваемся над Институтом прогнозов погоды: «Ну да, опять наврали!» Однако что лежит в подоплеке нашей издевки? Неужто газетно-фельетонная догадка, что дело там поставлено плоховато? Да нет же, тут замешана целая философия естествознания: тут берет слово наша глубокая, сильная, как инстинкт, и никогда не подвергавшаяся критике железная уверенность, что в идеале все явления природы точно предсказуемы, ибо они закономерны. Погода не исключение. И мы как бы думаем про себя: «Она-то знает, какой будет завтра, метеорологи не знают, а она-то знает это в точности!» Давно было замечено, что смех, как правило, порождается нашим внезапным ощущением превосходства над другими. Так, мы посмеиваемся над метеорологами от имени погоды, словно мы с нею союзники, а они — противники.

Наша вера в собственную точность природы не имеет границ. И, как вера в твердые шарики-частицы, это снова лишь дань великому классическому опыту — макроопыту человечества. Ее можно назвать верой в некий принцип определенности. Его никто никогда не доказывал физически и никто никогда логически не опровергал. И мысль, что он существует и должен лежать в основе всех событий в природе, только многовековой предрассудок. Это только вера. Прочная, устоявшаяся, но не делающаяся от этого истинным знанием.

И вдруг на такую безграничную веру обрушивается неотводимый удар — принцип неопределенности! Новый принцип, извлеченный из столь же великого, но неклассического и более глубинного опыта познания материи — микроопыта человечества. И на сей раз — доказанный, физически доказанный и логически неопровержимый принцип. И тут же неизбежное, вполне строгое, хоть и выраженное не на строгом языке науки, обескураживающее утверждение:

— Да, природа закономерна, но вовсе не точна.

Без долгих разговоров ясно: открытие такой черты в «устройстве природы» должно было привести к неисчислимым последствиям и в «устройстве знания». Еще бы! Хотя миф о точности природы развеялся, закономерность хода вещей от этого не пострадала: она была лишний раз подтверждена. Но не просто, а по-новому подтверждена. С неизбежностью открылось, что на микроуровне бытия природы господствует какой-то новый вид физических закономерностей.

Теперь вы понимаете, что то были не пустые слова — слова о революции, которую начали в естествознании XX века две первые элементарные частицы материи — фотон и электрон. Так это называется на языке истории. Только революции не довольствуются поправками к старым законам — улучшениями и расширениями. Только революции меняют дух всего законодательства. «Кто был ничем, тот станет всем!»

В природе открылось нечто, прежде неведомое; потому и новое физическое знание должно было по строю своему стать иным, чем бывало прежде. Иным по духу исследований. Иным по типу предсказаний. Иным по стилю мышления. Иным по математическому одеянию.

Раскройте едва ли не на любой странице курс квантовой механики. Если вам случалось заглядывать в старые книги по физике, вы испытаете совершенно то же чувство, какое испытывает человек, впервые в жизни раскрывший том Маяковского: «Что это? Как странно выглядят эти стихи! А где же ровные коробочки строф, которые я знал и любил?»

Тревожат мысль и волнуют воображение не частные параграфы нового физического законодательства — это предмет озабоченности специалистов. А сознание каждого думающего современника бередит засекреченная в недоступных формулах сама новизна открывшихся в микромире закономерностей — дух и пафос нового законодательства. Вот об этом и осталось поговорить.

Кто же прежде «был ничем», а «стал всем» в физике наших дней?

Если сразу сказать, вы не поверите. Сначала смутитесь — потом взбунтуетесь. Но все-таки лучше сразу сказать:

— Вероятность!

3

Удивительно, что это прояснилось еще до того, как Вернер Гейзенберг открыл соотношение неопределенностей. Правда, совсем незадолго до этого, но все же — до, а не после.

Казалось бы, что, кроме «каморки неточностей», могло навести на мысль о новом типе закономерностей! А между тем эта мысль словно бы витала воздухе, которым дышали физики в середине 20-х годов. Нехотя с тех пор прошло, по историческим масштабам, не так уж много времени, хотя живы еще почти все главные действующие лица и каждый может сказать, как было дело, говорятся по этому поводу разные вещи. В учебных курсах и монографиях чаще всего не указывается, кто же первый высказал вслух смущающую мысль о новой, небывало великой роли Случая.

Это любопытная подробность в квантовой драме идей. Появилась фундаментальная идея и зажила в науке безыменной — совсем как изобретение колеса.

Отчего же? Не оттого ли, что родилась она естественно, как фольклор, и имела сразу многих авторов, пришедших к ней независимо друг от друга? Или, может быть, все было сложнее: не показалась ли она сначала такою спорной и необязательной, что никому и в голову не приходило увековечивать нелепость? Ну, а позже, когда соотношение неопределенностей было уже найдено и странная идея стала неизбежной, не показалось ли, что уж теперь-то она и вовсе не нуждается в авторском свидетельстве? (Когда что-нибудь добывается логически «само собой», об авторе не говорят.) Наверное, все вместе и есть правда.

Но автор был. В полемических статьях, в воспоминаниях все; как правило, называют Макса Борна. Однако иногда, как это делает де Бройль, добавляют осторожное — «по-видимому». Во всяком случае, Борн с удовольствием принимает на себя вину. Не без гордости рассказывает он, как первым посягнул на прежнее физическое законодательство. Произошло это в те самые дни 1926 года, когда молодой Гейзенберг обвинил его в измене, так как он проявил «непонятный» интерес к волновой механике Шредингера.

В сущности, Макс Борн хотел получить разумный ответ на простейший вопрос: что это за волны, для которых Шредингер написал свое замечательное уравнение? Или — еще яснее и резче — волны чего?

Разумеется, сразу приходят на ум «волны материи» — волны де Бройля. И даже думается: да о чем тут, собственно, надо было гадать? Разве тайной было, что Шредингер прямо исходил из дебройлевской идеи волнообразности частиц? Нет, тайны из этого никто не делал. Но уж мы-то с вами не раз имели случай убедиться, как далеко уходят ученые в своих исканиях от первоначальных идей. И как они сами не могут предвидеть, куда заведет их логика открытия… Так началось с разрешенных боровских орбит в планетарном атоме, а кончилось гибелью этих орбит. Пожалуй, прав был де Бройль, когда жаловался, что дети становятся слишком самостоятельными и перестают слушаться своих родителей. В науке это происходит так же часто, как и в жизни.

Нечто похожее испытал и Шредингер.

В душе создателя волновой механики жил неумирающий классик с наследственным доверием только к непрерывности физических процессов. Он-то, этот классик, и питал отвращение к прерывности квантовых скачков. И, право же, тут будет над чем задуматься писателю, который пожелает со временем написать научно-художественный портрет Шредингера. Тайный консерватор в гениальном новаторе сыграл необычную роль. Он не сделал новатора осторожней и трусливей. Напротив, удвоил его неистовость. Во имя спасения в картине природы — спасения любою ценой — классической, нигде не нарушимой непрерывности, он, этот недремлющий классик, заставил Шредингера не только возненавидеть новую идею скачков, но и отступиться от старого образа корпускул. «Пожертвуй всем!» — сказал ему классик. И Шредингер отважился на сверхноваторскую надежду — всю материю мира свести к непрерывным волнам!

Ой в самом деле мечтал избавить картину природы от двойственного лика элементарных частиц. Он верил, что из неких волн можно теоретически смастерить корпускулы, то есть показать, что они — волновые образования и, следовательно, «вначале были волны». Де Бройль, впервые заговоривший о «волнах, материи», никогда не заходил так далеко. (Он писал недавно, разбирая тонкости старых споров: «Шредингер, который не верил в существование частиц, не мог следовать за мною».)

Вообще-то говоря, конструирование из любых волн подобия частиц дается физикам без особого труда. Волны ведь умеют гасить одна другую, когда их гребни и впадины не совпадают, и они умеют взаимно усиливаться, когда гребень приходится на гребень. Не надо ничего воображать, надо лишь вспомнить зрелище реки, взбудораженной разными волнами — высокими и низкими, длинными и короткими: в этой разнобойной мешанине волн нет-нет да и выплеснется где-нибудь непомерно вздыбленный гребень, а вблизи от него водяная поверхность окажется на мгновенье гладкой, точно притихшей и обессиленной, отдавшей все свое беспокойство этому единственному гребню. Так наложение множества простых волн разного ритма и размаха колебаний создает новую сложную волну. У нее может быть любая форма — это давно доказано математиками. Наложившись одна на другую, составляющие волны могут погаситься взаимно во всем пространстве, кроме одной маленькой области, где отдельные горбики соединенными усилиями поднимут единственный высокий гребень.

Так математически достигается желаемое. Волны с их «размазанностью» по пространству словно бы исчезают совсем. Остается сжатое в кулачок волновое образование — волновой пакет, по образному выражению физиков. Всплеск материи! Корпускула!

Вот о чем-то в этом роде Шредингер и мог мечтать.

Надо и нам признаться: образ волнового пакета очень соблазнителен — он выручает из беды нашу мысль и наше воображение, которым так трудно осилить противоречивое сочетание «волна-частица». Ведь и вправду — образ волнового пакета просто снимает это противоречие: частица сделана природой из волн, вот и все. А тут еще на счастье — волновое уравнение Шредингера для описания движения в микромире. Ведь Шредингер вывел его для некоей величины, которая волнообразно меняется во времени и пространстве, и назвал эту величину не слишком затасканной греческой буквой «пси», как бы предупреждая, что с такой физической величиной наука еще не имела дела. Сразу возник соблазн: думать, что его уравнение как раз и показывает, «из чего и как» природа мастерит корпускулы. Пакет из пси-волн — вот и частица!

Шредингер вначале так и думал. Электрон в атоме водорода представлялся ему облачком, волнообразно меняющим в атомном пространстве свою плотность — плотность электрического заряда. Иными словами, шредингеровские пси-волны сперва действительно могли показаться реальными «волнами материи». И на первый взгляд все так хорошо получалось, что даже в толк взять нельзя, зачем надо было физикам доискиваться какого-то таинственного смысла волновых построений Шредингера? Непонятно — над чем тут голову ломал Макс Борн?

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.

4

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».

5

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?

Весной 1960 года у меня был случай дважды убедиться, что такого различия нет. Сначала — в Дубне, потом — на Арагаце.

…Помните, как все газеты сообщили о блестящем успехе дубенских экспериментаторов, работавших под руководством академика Векслера и профессора Ван Ган-чана? Тогда, ранней весной 60-го года, они открыли новую элементарную частицу из семейства гиперонов — частиц тяжелее протона.

Существование этой частицы предсказали теоретики. Они заранее окрестили ее отпугивающе красивым именем: анти-сигма-минус-гиперон. Предсказание было сделано, если так можно выразиться, автоматически. Оно вытекало из общего, открытого Полем Дираком правила, что у каждой частицы есть античастица. Само собой возникло и чрезмерно красивое имя нового обитателя микромира: раз уж физики, открыв в середине 50-х годов сверхтяжелую («гипертяжелую») частицу с отрицательным зарядом и массой около 2 300, назвали ее греческой буквой «сигма» — «сигма-минус-гиперон», им не оставалось ничего другого, как окрестить ее теоретического двойника — «анти-сигма-минус». У этого двойника — положительный заряд, а величина массы — та же. И многие свойства те же. И среди них — недоступное для растолкования и самим физикам не очень понятное свойство — странность.

Только на дубенском гиганте ускорителе можно было в ту пору доказать, что такая странная «вещичка» действительно создается при ядерных реакциях. Дело в том, что возникновение частиц в ядерных реакциях — это как бы овеществление энергии участников взаимодействия. Гипероны так массивны, что для их создания нужна огромная энергия (все по тому же известному нам закону Эйнштейна: Е = М·С2). Энергии дубенских протонов-миллиардеров для этого достаточно. Но ее недостаточно у протонов, ускоряемых на других, менее могучих машинах. В Беркли (Калифорния) протоны приобретают энергию около 6 миллиардов электроновольт. Ее хватило американским физикам на создание антипротонов и антинейтронов. Для «производства» антигиперонов ее уже слишком мало.

Вот что интересно: экспериментаторы наши вынуждены были обследовать 40 тысяч кинокадров знакомого нам фильма «Ионизация», правда снятого не в туманной, а так называемой «пузырьковой камере», в которой вдоль трассы заряженной частицы выстраивается тоннель из пузырьков. И лишь на одном из кадров сумели найти след анти-сигма-минус-гиперона. На одном из 40 тысяч! Наткнулся на редчайший след молодой дубенский физик Анатолий Кузнецов.

Вскоре после этого события случай привел в Дубну группу писателей и журналистов, пишущих о науке. Естественно, всем хотелось заодно увидеть и снимок с нашумевшего кадра. И вот на первом весеннем солнцепеке под дубенскими соснами человек в лабораторном халате развернул перед нами большую фотографию.

Она выглядела обыкновенно — как заурядный снимок происшествий в микромире. Множество похожих фотографий снимают ныне физики каждый день в ядерных лабораториях разных стран. Следы пролетевших, возникших, распавшихся частиц — либо белые нити тумана, либо белый пунктир пузырьков. На черном фоне — беспорядочная метель. Вот и все. Но на этой фотографии были еще проведены рукою физика тонкие цветные линии. Они выделили из снежной метели один след и его разветвления — след анти-сигмы и тех частиц, в которые она превратилась.

— И это все? — разочарованно спросил один журналист. — И вы уверены, что это был он, ваш анти-сигма-минус?

Человек в халате улыбнулся.

— Видите ли, конечно, на глазок этого сказать нельзя, но детальные измерения и обсчеты…

— Позвольте, — прервал кто-то, — но разве можно обсчитывать все следы? Их на одной этой фотографии сотни!

Человек в халате снова улыбнулся.

— Понимаете, многие следы отпадают сразу: ясно видно, что это электроны, протоны и прочее. А тут… — он замялся на мгновенье, а затем сказал как раз то, что мне больше всего хотелось услышать: — А тут я как-то обратил особое внимание на этот след, знаете как-то почувствовал…

— Простите, — снова прервал тот же голос, — значит, это вы его первый нашли? — в голосе уже звучал журналистский азарт.

— Да, в общем так… — не очень охотно признался человек в халате.

— А как ваша фамилия? — журналисты запросто задают этот милицейский вопрос.

— Кузнецов, Анатолий Алексеевич.

Наверное, каждый из нас, литераторов, подумал тогда под Дубенскими соснами, что когда-нибудь ему пригодится это нечаянное признание физика: «Знаете, я как-то почувствовал». Разговор, разумеется, не стенографировался. И если эта страничка попадет на глаза Анатолию Алексеевичу Кузнецову, он, может быть, запротестует: «Неужели я так сказал?» И захочет поправиться: «Не почувствовал, а как-то сообразил, или, вернее, просто подумал — словом, ощущения и чувства тут явно ни при чем».

И все-таки сказал он именно так, а не как-нибудь иначе. И сказал точно — по праву ищущего. По тому же праву, по какому так же выразился о своей «находке» теоретик Макс Борн. По праву поэта работающего и только потому внезапно осеняемого строкой. Черным пламенем отсвечивала на солнце фотография и матово поблескивали цветные линии, подтверждавшие, что чутье не обмануло экспериментатора: он почувствовал реальность.

Той же весною, но позже, совсем в другой обстановке и по другому поводу, вдруг разговорились на сходную тему физики-теоретики. Были они все талантливыми и почти все молодыми. Владимир Грибов и Игорь Дятлов из Ленинграда, Лев Окунь и Игорь Кобзарев из Москвы, Иосиф Гольдман из Еревана… А невольным председательствующим был член-корреспондент Академии наук Аркадий Бенедиктович Мигдал, человек разносторонне одаренный и возрастом как бы не обладающий.

Обсуждали неразрешимый вопрос: «Кому легче — писателям или теоретикам?» Такое неожиданное сопоставление было не совсем случайным: и те и другие работают непрерывно, не расставаясь со своими мыслями; и те и другие не ведают иного ремесла, кроме мастерского умения изводить бездну бумаги. Обсуждение, наверное, бессрочно затянулось бы, как обычно, когда у темы нет ясных границ, а решения вопроса никто и не ждет. Но дело в том, что теоретики сидели не в креслах и опирались не на лекторские указки. Они тряслись в открытом прицепе арагацкого трактора под моросящим дождем и холодным ветром, который, кажется, ни «когда не стихает на тех высотах Арагаца, куда и к началу июня еще не успевает доползти из Араратской долины весна. Два часа назад теоретики оставили темнокаменный, как старинные замки, Нор-Амберд. Там, возле последней деревушки Каши-Булах, в новом здании Арагацкой лаборатории, на высоте 2 тысяч метров закончилось заседание традиционной весенней конференции по физике космических лучей и элементарных частиц. И группа физиков с севера решила променять вечерние огни и жару Еревана на безлюдье и лыжную целину арагацких вершин. Поехали не вниз, а вверх — к старой алиханяновской станции.

Пока дорога была еще проходимой для автомашин, теоретики продолжали разговаривать так, будто заседание вовсе не кончилось. И, поверьте, ни одной их фразы не взялись бы набрать наборщики литературного издательства — так туго набита была эта дорожная беседа в горах интегралами, проекциями изоспина, лямбдами, матрицами и прочей ученой словесностью, включая уже знакомые нам неопределенности и пси-функции. Только когда с машин пересели в тракторный прицеп и «Челябинец» стал вытряхивать их души, а с мокрых капюшонов закапала на лица вода, они заговорили человеческим языком, перестав развлекаться работой. Но так как теоретики все равно должны о чем-нибудь спорить, они незаметно завязли в дискуссии: кому легче — им, беднягам, или писателям, счастливчикам?

И хотя разговор, повторяя чудовищный рельеф дороги, был весь в горбах и провалах, я услышал немало интересного. Скоро писателей надолго оставили в покое — заговорили только о своем. Нет, конечно, они не жаловались на трудности своей работы. Когда альпинист рассказывает, как тяжело достаются ему восхождения, не попадайтесь на удочку — не выражайте сочувствия, вы окажетесь в глупом положении. Вообще не выражайте сочувствия добровольцам творчества. А так как у творчества есть только добровольцы, не верьте их слезам: раньше или позже вы очутитесь в дураках.

И, слушая теоретиков, я испытывал чувство, что трясусь под дождем и ветром в обществе глубоко счастливых людей.

(Однако поймите, пожалуйста, правильно: ощущалась не та их счастливость, какая измеряется степенью житейского благоустройства, а другая, труднее определимая.

С житейским благоустройством, может быть, и не у каждого все было в порядке. Так, я знал, что у одного из них, человека на редкость привлекательного и достойного всяческой счастливости, неудачно сложилась жизнь в семье и ему надо было решаться на серьезные вещи. Наверное, поэтому он был тих и молчалив вдвойне против обычного. Но по «гамбургскому счету» всей жизни — по счету не быта, а бытия — и он был счастливцем.)

Понимаете, кроме всего прочего, что уравнивало их с любыми добровольцами творчества, они ощущали себя самыми передовыми альпинистами века. Они разговаривали с сознанием, что их лагерь раскинут на мировом перевале современной науки и что лучшие часы их работы — это вылазки к высотам еще не знаемого без всяких проводников! Они прямо говорили об этом, без пафоса и без самодовольства, но видно было, что неоспоримость такого положения вещей доставляла им глубокое, очевидно самое глубокое из возможных, счастливое самоудовлетворение.

А с другой стороны:

— Скверно, когда целый день надо только считать. Нового ничего нет, и только считаешь, считаешь… Вот это писателям незнакомо. Все на свете проклянешь!

Не помню точно, кто это сказал — Грибов или Окунь, но все понимающе заулыбались. Я тоже улыбнулся, как единственный представитель племени литераторов («это писателям незнакомо!»). А затем мне пришлось еще раз улыбнуться от имени всех пишущих, но уже не иронически, а только понимающе, когда Владимир Грибов с милой своей, немножко грустной усмешкой сказал примерно так:

— А бывают хорошие дни, когда в голове что-то есть, и здорово работаешь, и радуешься результатам. И тогда идешь куда-нибудь вечером — прекрасное самочувствие, отличное настроение. Втайне, может быть, и не очень уверен в сделанном, но сомнения откидываешь. А утром… Посмотришь, проверишь, — он махнул рукой, — оказывается не то, вздор! И тогда…

Его перебили. Снова все заулыбались. Игорь Дятлов — застенчиво, Иосиф Гольдман — тишайше, Лев Окунь — внимательно и чуть напряженно. Каждый — по характеру. Но все узнали свое, хорошо знакомое. И тут разговор, скачущий, как прицеп, стал на минуту совершенно писательским. Точно вели его не ученые — «мастера логического производства», а обыкновенные художники, актеры, поэты. — И вполне в духе этой нечаянной дискуссии Аркадий Бенедиктович Мигдал подвел ее итог ссылкой вовсе не на ученые авторитеты. Он сказал:

— В общем у теоретиков тоже так не бывает: «Пришел поэт, легко разжал уста, и сразу запел вдохновенный простак — пожалуйста!» У нас тоже — как это дальше у Маяковского? — щелкнул он пальцами. — Ах, вот:

Наверное, впервые прозвучали эти точные строки на высоте 3 тысяч метров, да еще в обстановке, совсем не располагавшей к поэзии, да еще ПО такому поводу, какой вряд ли мог пригрезиться молодому Маяковскому, когда писал он «Облако в штанах».

…Будем считать эти несколько страниц необязательного отступления площадкой роздыха на нашем пути. Во всяком случае, как видите, нет причин удивляться тому, что Макс Борн сперва именно почувствовал, какая правда природы прячется за пси-волнами Шредингера. Дело это обыкновенное.

Зато есть очень веские причины удивляться самой этой правде — так она неправдоподобна!

Борн рассказывает, что должно было пройти некоторое время, пока ему «удалось найти физические аргументы» в пользу осенившей его догадки. Для нас эти аргументы слишком громоздки. Снова надо плыть и барахтаться «глупой вобле» нашего воображения.

6

Частица движется в какой-то волновой упаковке… Конечно, это только образ. Но даже образ этот очень трудно зримо себе нарисовать.

Во-первых, после всего, что узнала физика об элементарных частицах, невозможно наглядно представить себе, что такое частица.

Нильс Бор, например, говорит, что это «нечетко определенное единичное в конечных пространственно-временных пределах». Может быть, действительно ничего нельзя сказать точнее. Но что делать нашему бедному воображению с этим бесплотным «единичным», которое и в самом деле «нечетко определено» в природе? А между тем они — элементарные частицы — физические реальности! У человечества и вправду не хватает нужных слов и представлений. Де Бройль увидел во фразе Бора склонность великого датчанина к светотени — к светотени в разрисовке физической картины материи. Вероятно, он просто хотел сказать, что Бор «наводит тень на ясный день», но старинным французским красноречием такие полемические грубости запрещены, и он сказал только, что Бор — «Рембрандт современной физики». Однако ясного дня без тени и у де Бройля не найти.

Нам, нефизикам, остается довольствоваться малосодержательными словами: «Частица — это частица, неужели не ясно?!» И удовлетворяться смутным видением, которое возникает при этом в нашем мозгу.

Во-вторых, после того как исчезла надежда, что пси-волны — это «волны материи», испарилась и другая надежда — как-то ощутить физическую плоть пакета из этих волн.

Они не несут с собою никакой энергии-массы. С их помощью невозможно было бы передать никакой сигнал, в отличие от волн электромагнитных или звуковых. Пси-кванты были бы чистейшим вымыслом. В фантастическом романе с ними нечего было бы делать даже самому бесшабашному автору. Он превратился бы просто в мистика, если бы захотел из самых лучших побуждений заставить какого-нибудь сверхгениального старичка с иностранной фамилией или широкоплечего гуманиста с квадратным подбородком мучиться над проектом пси-станции, передающей эти волны, или над конструкцией пси-антенны, принимающей их из глубин космоса. Их никто не может посылать ни из каких глубин — недра ли это атома или недра вселенной. Вот точно так же никто не смог бы играть в серсо орбитами планет. В балансе материи мира нематериальное с очевидностью не участвует.

Как же нам вообразить и без того нечто трудновообразимое — элементарную частицу, еще и запеленатую в волновой пакет из таких призраков? Нелегкая задача. Как говорят испанцы: «Вдвоем привидения не увидишь». Однако это все шутки. А если всерьез, то ведь именно нематериальность шредингеровских пси-волн бесконечно облегчает наше положение.

Не протестуйте — облегчает!

Это ведь значит, что судьба волнового пакета из этаких волн никак не может отразиться на материальной плоти электрона. Его массу, его — заряд не нужно спасать от растворения в пространстве — такой удел им не грозит. Что с того, что волновая упаковка частицы переживает по законам математики свою судьбу: то, расползается крайне медленно или, напротив, быстро, то вновь собирается в четкий тесный пакет, то перекрывается волновым пакетом другой частицы — словом, ведет себя по-разному, в зависимости от обстоятельств движения в микромире? Что бы ни происходило с волновой упаковкой движущихся частиц, они сами от этого никакого материального урона претерпеть не могут. (Бабочка в сачке остается бабочкой, раздулся ли сачок по ветру или, сморщившись, сник.)

В общем, нематериальность шредингеровских волн сразу избавляет элементарные частицы от беды, в которую они, казалось бы, попали оттого, что какие-то там пси-волны так прекрасно описывают механику их поведения. Но эта же нематериальность волновой упаковки частиц внушает неискушенному сознанию ужасное подозрение: уж не мистикой ли занимается эта непонятная квантовая механика микромира? То-то о ней столько разговоров идет вот уже тридцать с лишним лет! Видно, неспроста. Не правда ли, хочется даже воскликнуть: «Философы, где ваша бдительность?!»

(В «бдительности» догматиков за эти три десятилетия недостатка не ощущалось. Один профессор философии называл создателей квантовой механики даже «агентами империализма», которые путем неправильного истолкования пси-волн откровенно намеревались увести пролетариат от классовой борьбы с капиталистами. Клянусь, тут нет преувеличения. Точную цитату искать скучно. А сколько вздора наговорили философы, журналисты, публицисты на Западе! Один из них, француз В — ь, окрестил квантовую механику «обскурантистским учением» — чем-то вроде богословской теории. Другой сказал о ней с восторгом: «Это — Пикассо-физика!» Третий назвал ее вместе с теорией относительности «абракадаброй XX века». А сколько сами физики на философском досуге высказали о ней уродливых мнений! Но, подождите, давайте уловим сначала самое главное и необычное, что открылось перед физиками в природе, когда признание нематериальность шредингеровских пси-волн спасло частицы от гибельного расползания.)

В этой нематериальность самой по себе еще не заключалось, конечно, ничего подозрительного. Разве смущает кого-нибудь, что нельзя потрогать рукой орбиты планет — те эллипсы, по которым катятся они вокруг Солнца? До открытия в 1930 году Плутона, когда самой отдаленной планетой считался Нептун, астрономы говорили, что орбита Нептуна претерпевает непонятные возмущения. По уравнениям небесной механики они нарисовали эту орбиту как обязательную линию поведения Нептуна и с удивлением обнаружили, что он не совсем исправно подчиняется их предписаниям. В этом удивлении астрономов лежало начало открытия Плутона: стало ясно, что «какое-то, еще неведомое, небесное тело своим влиянием искажает предвычисленный эллипс движения Нептуна. Так что же, Плутон искажал физическую реальность? Нет, он просто молча доказывал, что орбиты — математические призраки, тем точнее отражающие поведение небесных тел, чем больше знают ученые. И хотя ни один безумец не станет разглядывать в телескоп то место, из которого уже ушла планета, дабы «увидеть» саму ее орбиту, эта призрачная кривая полна ясного физического смысла. Ясного и глубокого: это классическая траектория небесного тела.

Волновая упаковка движущихся частиц призрачна не более, чем траектория. И полна еще более глубокого физического смысла. Но, к несчастью, не такого ясного, потому что в микромире траекторий нет. Однако, если сравнить на минуту классическое движение Нептуна с квантовомеханическим движением электрона, кое-что сразу станет понятным.

Электрон не переживает судьбы волнового пакета из шредингеровских волн — он не расползается и не сводится на нет. И Нептун не переживает судьбы своей кеплеровской орбиты, когда она искажается под влиянием Плутона. Нептун остается таким же небесным телом, каким был, он только начинает двигаться по-другому: искажение орбиты — это изменение линии его поведения. И ничего больше. Так не происходит ли нечто подобное и с электроном, когда изменяется форма его волнового пакета? Конечно. Иначе и быть не могло бы. Ведь уравнение Шредингера, при решении которого и получаются волновые пакеты, описывает поведение частиц в микромире. И совершенно понятно, что судьба волнового пакета электрона, не сказываясь на нем самом — на его материальной плоти, должна сказываться на его движении. (Так форма сачка влияет на возможности полета пойманной бабочки: в раздувшемся сачке ей просторней, чем в сникшем.)

Конечно, такому сравнению место лишь в скобках: очень уж грубо нагляден вещественный сачок и очень уж не похожа на частицу одушевленная бабочка. Но ведь и научный термин «волновой пакет» — только образ. И тоже довольно рискованный. Однако даже ученых это не пугает. Так не выпустить ли пойманную бабочку из скобок — пусть помогает нам.

Когда на реке нечаянно складывается из разномастных волн одинокий гребень, он в самом деле напоминает внешними очертаниями колеблемый ветром сачок. Забыв о строгостях математики, можно примерно так представлять себе и очертания волнового пакета из пси-волн. Он как бы накрывает частицу-бабочку.

Первый вопрос о поведении электрона — где он сейчас находится? Таинственная величина «пси» обязана — обязана по математическому происхождению своему — как-то помочь в поисках верного ответа. А что она может ответить? Только одно: «Ищите электрон там, где я не равна нулю». То есть под сачком волнового пакета. Иными словами, в той области пространства, где поднимается в данный момент движущийся гребень сложившихся вместе пси-волн — «волн поведения» электрона. Так на вопрос: «Где. сейчас пойманная бабочка?» — сачок ответил бы: «В моих пределах».

И теперь — самое существенное.

7

Где же все-таки бабочка под сачком — где она там, в его пределах? Сачок прозрачен. Щелкните фотокамерой — вот и ответ.

Но что сказать не о настоящей бабочке, а о настоящем электроне под пси-сачком? Хотя этот волновой гребень больше, чем прозрачен, — призрачен, аппаратом тут не щелкнешь. Помните: из киносъемки электрона ничего путного получиться не может. Оказывается, если частица в волновом пакете и похожа на бабочку, то скорее на бабочку под непрозрачным сачком: все время известно, что она там, внутри, но точнее уже ничего сказать нельзя и никакое фотографирование тут не поможет.

И вот фраза, которая исполнена высокой учености, но смысл которой теперь, однако, довольно ясен: дебройлевская двойственность частиц, то есть их волнообразность, волей-неволей заставляет физиков иметь дело в механике микромира не с движением элементарных частиц «самих по себе», а с поведением их шредингеровских волновых пакетов.

Вот простой и удивительный опыт.

Непроницаемый экран. В экране щель. За экраном фотопластинка. Сверху падает электрон. Он проскакивает через щель. Где почернеет пластинка?

Физик-классик опустил бы отвесную прямую из середины щели на пластинку и уверенно объявил бы: «Почернение будет здесь!» Конечно, для точности он ввел бы поправки на ширину щели и удаленность пластинки от экрана. В общем он предписал бы электрону классическую траекторию падения и безмерно изумился бы, обнаружив, что предсказание почему-то не сбылось. А оно действительно могло и не сбыться! И случись именно так, классик начал бы искать подвохи в схеме опыта. Но схема столь проста, что где в ней гнездиться подвохам!

Физик-квантовик заранее отказался бы от точного предсказания: еще ничего не подсчитывая, не составляя и не решая для этого случая уравнения Шредингера, он, не колеблясь, заявил бы, что электрон может очутиться и не прямо напротив щели. Электрон — корпускула, обладающая волновыми свойствами, он «волница», и у нас нет никакого права приписывать ему классическую однозначную линию поведения — траекторию. Нарисованный по линейке отвес может и не иметь для него ни малейшего реального смысла. Нарисуйте, как будут вести себя «волны его поведения» — шредингеровские пси-волны, и тогда посмотрим, где стоит искать почернение на пластинке? Примерно так сказал бы физик-квантовик.

Путь электрона к пластинке — его движение, предшествующее встрече с ней, — на опыте проследить Нельзя: это все та же бессмысленная, неосуществимая киносъемка. Зато математически, на бумаге, можно проследить судьбу его волновой упаковки — того непрозрачного сачка, который несет бабочку.

В момент прохождения щели электрону негде быть, кроме как в пространстве щели. Хоть эта фраза и звучит глуповато, вроде: «Ищи меня там, где я прячусь», смысл ее не так плосок, как кажется. Это значит, что в момент прохождения щели волновой пакет электрона приобретает ее очертания. Таково в этот Момент дно, или основание, пси-сачка. А за щелью — простор. Пси-волны как бы выйдут на свободу, отражая новые возможности движения, открывшиеся перед электроном. Волновой пакет станет расширяться.

Там, где возникнет на его пути пластинка, он незримо пересечется с нею. И на пластинке словно бы скрыто отпечатается падающий пакет волн. Этот скрытый отпечаток будет волновой картиной в плоскости: так на радиоплакатах изображают расходящиеся от антенны волны — темные полосы или кольца чередуются со светлыми. В темных — размах электромагнитных колебаний наибольший, в светлых — наименьший, нулевой. Так и на пластинке словно бы притаится волновая картина изменения от точки к точке таинственной величины «пси» — полоса за полосой или кольцо за кольцом.

Так где же почернеет эмульсия от падения электрона? Неужели это произойдет обязательно в той точке, что лежит прямо напротив щели в экране? Вы уже догадываетесь, почему физик-квантовик не возьмется этого утверждать. Нет, электрон может упасть в любом месте, где «волны его поведения» взаимно не погасились: на любой полосе, где по математическому предвидению можно было бы нарисовать над плоскостью эмульсии горбики пси-волновой картины. Всюду в таких местах можно ожидать появления черного пятнышка на пластинке. Даже в отдалении от точки, предсказанной классиком. Лишь бы не на «пустой» полосе.

Вот она, нашумевшая в свое время дифракция электронов! (Огибание препятствий — краев щели.)

Но в результате действительно проделанного опыта на установке — не на бумаге — электрон ведь очутится в каком-то одном месте, не так ли? Разумеется. Так где же именно? Где кончится неизвестность и произойдет вторжение этой заряженной частицы в молекулу эмульсии, а вслед за тем химическая реакция с выделением черного металлического серебра?

Вы наверняка уже чувствуете, как! просится тут на язык злополучное слово — Случай! Оно просится в текст с такой же настойчивостью, как и при поисках ответа на вопрос: «Где сейчас бабочка, скрытая непрозрачным конусом сачка?» Если ей безразлично, где там быть, то, конечно, это дело случая, где она окажется в момент нашего наблюдения. Правда, чтобы ей и в самом деле это было безразлично, надо лишить ее одушевленности — стремления к удобству, инстинкта свободы, словом — права выбора. Все места под сачком должны быть для нее равно хороши.

Теперь можно бы и совсем отделаться от этой примелькавшейся бабочки, благо уже и так пришлось лишить ее инстинктов жизни. Но сначала нужно совершить еще одно — маленькое — усилие воображения. Дело стоит того: мы почувствуем, как случай диктует явлениям природы свои особые закономерности. Он делает это не менее изобретательно, чем любая железная необходимость.

8

Можно мысленно разбить пространство сачка на равные ячейки — скажем, величиною с бабочку. Тогда сачок станет похож на конус, вырезанный из пчелиных сотов. От чистой случайности зависит, в какой из ячеек застигнем мы бабочку при проверке. И если в конусе умещается, допустим, тысяча ячеек, то надо ли логически доказывать, что есть лишь один надежный шанс из тысячи увидеть пленницу в заранее предуказанной ячейке?

Но вот что замечательно.

Ячейки выстраиваются в столбики над основанием конуса. Самый длинный столбик, конечно, над серединой основания: в нем, доходящем до вершины сачка, больше всего ячеек. А чем ближе к краям основания, тем меньше ячеек умещается в этих столбиках. У самых краев их этажность сходит на нет. Видите ли вы мысленно эту картину? Она напоминает московские высотные здания, которые этакими каменными сачками поднимаются в небо: в любом из них — больше всего этажей в середине, под шпилем, а меньше всего по краям, над периферией фундамента. В каком же столбике больше всего надежд увидеть бабочку?

Ясно, что от нашего мысленного дробления сачка на ячейки в природе ничего не изменилось. По-прежнему дело случая, в какой ячейке обнаружится бабочка. Но, именно оттого, что у нее нет никаких причин предпочесть одну ячейку другой, тут вдруг прорезывается в случайном закономерное.

Сама того не подозревая, бабочка как раз по воле чистого случая будет оказывать предпочтение тем столбикам, которые длиннее. Всего больше надежд застать ее в центральном, наиболее многоэтажном столбике. Пусть сорок восемь ячеек умещаются в нем, тогда случай даст нам сорок восемь шансов из тысячи увидеть пленницу в воздухе прямо над серединой основания сачка. Застать ее в любом соседнем столбике шансов уже меньше. Их совсем мало, если мы питаем надежду увидеть ее над краем основания. Нужно проделать очень много опытов — много проверок, чтобы хоть раз такая надежда сбылась.

Оттого, что ячейки все равноправны, неравноправны столбики! Шансы распределяются между ними вовсе не поровну. И видно: закон распределения шансов между столбиками повторяет горбатую, или конусообразную, форму сачка. Повторяет совершенно точно.

А как провести проверку? С бабочкой это просто — в принципе по крайней мере. Сделав прозрачным основание сачка, можно фотографировать ее сколько угодно раз на одну и ту же пластинку. Можно даже вообразить себе, что основание сачка затянуто светочувствительной пленкой, и на этой пленке, как тень, запечатлевается при каждом срабатывании затвора изображение бабочки. После множества съемок такая тень будет всего гуще в центре пленки: там наложатся одно на другое множество изображений. К периферии пленки тень будет слабеть. И ясно, что в этом распределении густоты тени повторится тот же закон — форма сачка с горбом посередине.

Так опыт подтвердит предвидение случайного.

И тем полнее подтвердит, чем больший простор будет предоставлен случаю: каждая новая проверка увеличивает надежду, что постепенно сбудутся все возможности — оправдаются все шансы. «Надо иметь достаточную статистику!» — говорят физики.

Теперь пусть бабочка улетает — больше она не нужна нам. На минуту нужна еще только ее тень. Именно ей, этой тени, а не самой бабочке подобен электрон. Понятно ли это?

Накрытый в движении призрачным сачком своего волнового пакета, электрон ведь вовсе не летает в его «объеме». Реален ведь не сам пакет, а та область пространства — то основание, или дно, сачка, над которым «поднимается» в данный момент пси-волна. «Поднимается» — в том смысле, что если выстроить над пространством призрачный частокол значений таинственной величины «пси» в каждой точке, то вот и получится горб волны. А электрон, конечно всегда пребывает где-то на дне этого математического сачка — в реальном трехмерном пространстве.

В отличие от бабочки, электрон не пленник своего волнового пакета, а виновник того, что этот пакет — призрачный математический сачок — существует и морочит голову физикам. (Так, Земля не пленница своей атмосферы, а виновница ее существования.) Не будь электрон так мал, он не был бы «волницей» — его волновые свойства были бы так незаметны, что движение его прекрасно описывалось бы классическими траекториями. Но он — повторим это в сотый раз! — каким-то образом умудряется быть и частицей и волной и потому появляется перед физиками в ореоле, в атмосфере, в сачке (как хотите!) волнового пакета. И потому никогда не известно с полной достоверностью, каково же местоположение — какова координата — этого двуликого электрона.

То, что можно об этом узнать, и рассказывает форма волнового пакета. Вот в чем заключалась догадка Макса Борна.

Величина «пси» сразу потеряла для него свою таинственность. Помните, как она сказала сперва довольно небрежно: «Ищите электрон там, где я сама наличествую, то есть там, где я не равна нулю». Но неужели у электрона одинаковые шансы пребывать в данный момент в любом месте пространства, где эта «при» не равна нулю? Она меняется волнообразно; для одних точек пространства, где может находиться электрон в этот момент, величина «пси» больше отлична от нуля, для других — меньше. Так неужели это ничего не значит? Нет, решил Борн, у электрона всего больше шансов обнаружиться там, где «пси» всего ощутимей наличествует — под горбом волнового пакета. А всего меньше — с краю, где пси-волна сходит на нет.

Так, по идее Борна, форма пси-волны просто указывает на распределение шансов найти частицу в разных местах пространства. Скажем, форма волнового пакета движущегося в атоме электрона просто показывает распределение шансов найти этот электрон в разных местах атомного пространства. Разные места неравноправны — над ними поднимаются разные по высоте пси-столбики. И вот — новый смысл боровских орбит: это те воображаемые круги или эллипсы, которые состоят из точек, в окрестностях коих всего вероятнее найти электрон.

Теперь ясно, как ответить на вопрос: действительно ли почернеет пластинка прямо напротив щели, сквозь которую пролетел падающий электрон? Физик-квантовик скажет, что он способен предсказать только шансы этого события. Не больше! И добавит, что может заодно предсказать шансы и других возможных событий — почернений в иных местах, далеких от щели. Все зависит от формы пси-волновой картины.

А как провести проверку? Однократным опытом всех шансов не исчерпать. «Нужна достаточная статистика». У физиков есть два варианта проверки: они могут направить на щель в экране сразу поток электронов, дабы в один присест провести миллионы, миллиарды, триллионы проверок, а могут пустить электроны по очереди, по одному, гуськом, подобно, цепочке капель из плохо прикрученного крана. В принципе результат должен быть одинаков: в обоих вариантах случаю предоставляется полный простор. В падении множества электронов, все равно — одновременном или поочередном, осуществляется множество возможностей, и можно надеяться, что любая превратится в действительность. Первый вариант проще, зато второй интересней.

Дело в том, что, когда на щель направляют целый поток частиц, возникает сомнение: а не есть ли волнообразность свойство потока? (Так, одна молекула воды волны на реке не даст, а поток молекул может дать любую волну.) Когда же электроны проходят через щель поодиночке, сомнения исключаются: если появится на пластинке волновая картина дифракции, значит волновая природа свойственна поведению любого отдельного электрона.

Наши экспериментаторы Л. Биберман, Н. Сушкин и В. Фабрикант уже после войны, в 1949 году, провели «проверку гуськом». На фотопластинке обрисовалась ожидаемая картина, которая за четверть века до этого опыта поразила бы всех без исключения физиков: кроме черного пятнышка напротив щели, отчетливо видны были расходящиеся кольца почернений, слабеющие по мере удаления к краям пластинки.

В эксперименте наших физиков электроны падали так редко, что промежуток времени между двумя очередными падениями был в 30 тысяч раз больше, чем время, какое требовалось электрону на то, чтобы проскочить весь прибор — пройти от источника до пластинки. А мёжду тем волновая картина дифракции решительно ничем не отличалась от картины массового падения электронов, когда сразу 10 миллионов частиц устремлялись к пластинке. Гуськом ли, потоком ли шли микрокентавры — результат был один и тот же!

Каждый приземлился на пластинку, как частица. Но каждый по воле случая использовал одно из возможных мест приземления, предоставленных ему, как волне. Мириады частиц — мириады возможностей. И действительно, оказалось, что чередующиеся горбики пси-волновой картины — это наиболее вероятные места встречи электронов с пластинкой.

Что же означает расширение волновой упаковки частиц — размазывание волнового пакета? Ничего другого, кроме как расширение той области пространства, где есть вероятность найти частицу. И вообще все, что в разных условиях движения микрокентавров происходит с их волновыми пакетами, это только изменение вероятностей разных событий, которые могут случиться с частицами.

Вот что почувствовал, сначала только почувствовал, Макс Борн: шредингеровские пси-волны — это не «волны материи», это волны вероятности в поведении частиц.

9

Сознаете ли вы, как ответственна была догадка Борна? Как ответственна и как величественна!

Она заслуживала бы любого количества слов, сравнений, разъяснений, лишь бы открылась неизбежность этой догадки и обнажился ее смысл. В конце концов дело тут не в уравнении Шредингера и не в пси-функциях, не в волновых пакетах и вообще не в математических хитростях. Право, все это забывается легче, чем узнается. Но потрясает воображение и навсегда остается в сознании суть хитросплетений квантовой механики. Эта суть неожиданна и немногословна: физики открыли, что в недрах материи, в микромире, господствуют вероятностные законы случая. (Оттого и заслужил он раньше написания с большой буквы.)

Может быть, это самое глубокое и самое странное открытие в естествознании нашего века. А может быть, и не только нашего века. Обнаружилось, что мир природы — вероятностный мир!

В это трудно вникнуть, еще труднее с этим примириться. Академик Фок рассказывает, как Эйнштейн выражал свое несогласие с таким толкованием законов микродействительности: «Он не раз полушутя, полусерьезно говорил, что никак не может поверить, чтобы господь бог играл в кости».

Игра в кости… Одна из тех игр, где все решает случай. Пока кости не брошены, в них дремлют любые возможности сочетания чисел на гранях. И пока они лежат в горсти азартного мальчишки, лишено всякого смысла спрашивать: каково там сейчас сочетание чисел? Это безответный вопрос. И не потому, что мы не видим костей, а мальчишка не хочет разжать ладоней, но потому, что они, эти наброшенные кости, капризно привалясь одна к другой углами да ребрами, могут вообще не давать там, в темноте горсти, никакого читаемого сочетания граней. И, даже открыв ладони, мальчишка не открыл бы нам этой тайны, ибо самой тайны нет: есть кости, есть все таящиеся в их комбинациях возможности, но нет осуществившихся сочетаний — кости лежат беспорядочной кучкой и ничего не показывают. Их надо бросить на стол — нужно произвести опыт, чтобы одна из возможностей превратилась в действительность! Какая осуществится? Это дело случая. Управляет случаем закон распределения вероятностей.

Вот так же не имеет ответа естественный, казалось бы, вопрос: где находится сейчас частица на дне волнового пакета? Это пакет еще не осуществившихся ее возможностей — «пакет вероятностей». Конечно, хотелось бы думать, что где-то пребывает она там в точно определимом месте, да только мы по несовершенству наших знаний указать это место не можем и потому довольствуемся вычислением вероятностей. А завтра, когда знаний у нас прибавится, эта тайна перестанет быть тайной: физики научатся без запинки указывать координату частицы всегда, когда им этого захочется. Такая надежда представляется вполне основательной, мысль о ней — абсолютно законной. До такой степени законной, что на протяжении тридцати пяти лет, со времени «чуда 26-го года» и до наших дней, многие физики — всемирно известные и совсем неизвестные, многие философы — материалисты и нематериалисты, безуспешно пытаются разжать ладони азартного мальчишки, веря, что там всегда лежит готовая комбинация граней — надо только увидеть ее и прочитать.

Вся трудность примирения с квантовой механикой в том и состоит, что она запрещает питать эту надежду и нянчить эту мысль! Она утверждает, что никакой «тайны точной координаты» нет. Ее нет у самой природы, и поэтому тут решительно нечего открывать.

И снова — все оттого, что любая микрочастица по природе своей «волница», а вовсе не корпускула, у которой есть жесткая однозначная линия поведения. Надо создать физические условия, чтобы электрон проявил себя как частица, чтобы из всех возможностей, скрытых в его волновом пакете, какая-нибудь действительно осуществилась. Нужно втянуть электрон во взаимодействие с прибором или с другой частицей, которая «измерит» его координату (как фотопластинка за щелью в экране).

Нужно произвести опыт.

«Нужно бросить кости!»

Какая из возможностей станет на сей раз действительностью, а какая станет действительностью в другой раз? Тут в игру вступает случай. Вернее всего, он отдаст предпочтение наиболее вероятному варианту события. Но оттого, что это произойдет, не надо думать, будто вариант был единственно возможным.

Природа, все бытие которой как бы непрерывное экспериментирование, непрерывно «бросает кости». В это-то и не хотел поверить Эйнштейн, в шутку ссылаясь на бога.

…Здесь все время шел разговор о местонахождении частицы — об ее координате. Но это только потому, что обо всем другом рассказывать гораздо труднее. У физиков, конечно, кроме этого первого вопроса к частице, есть множество иных и часто несравненно более важных вопросов. И главное — не только к отдельной частице (к электрону, например), а и к системе частиц (скажем, к атому). Это вопросы о скорости и энергии движения, о квантах и спектрах излучения, о распадах неустойчивых частиц и временах их жизни, об ионизации атомов и превращениях атомных ядер… Словом, вся атомная и ядерная физика, вся микрофизика вообще, — это цепная реакция вопросов, которые задают ученые «волницам» и систёмам «волниц». И как в атомном котле, реакция эта разветвленная: вопросы нарастают лавиной. И всякий раз физики получают ответы в вероятностной форме! Всякий раз они теоретически выясняют, как распределяются шансы между различными возможностями, а результаты опытов рассматривают как претворение возможностей в действительность.

Вероятность состояния. Вероятность столкновения. Вероятность распада. Вероятность излучения. Вероятное время жизни…

Эйнштейн надеялся доказать невероятность этого господства вероятностей. Он конструировал парадоксы, к которым, по его мнению, неизбежно должна была приводить квантовая механика. Он придумывал мысленные опыты, которые должны были посрамить толкование пси-волн, как «волн вероятности». Он выдвигал возражения, которые всем сомневающимся в квантовой механике казались неотразимыми.

Признайтесь: и вы, быть может, впервые кое-что узнающий о странностях механики микромира при чтении этих страниц, вы тоже — сомневающийся? Наверняка сомневающийся! Я был бы слишком самоуверен, если бы думал, что все рассказанное выше, начиная с открытия электрона и запрета Рентгена и кончая соотношением неопределенностей и догадкой Борна, уже убедило вас в неизбежности странного мира, какой открылся перед физиками XX века в глубинах материи. Нет, вы, конечно, еще сомневающийся… Так вообразите, что величайший физик столетия разделяет ваши сомнения! В пору подпрыгнуть от радости: «Значит, я не так уж прост и не так уж плох?» Можно смело бросаться в схватку, когда за плечами такой могучий телохранитель. Поддержка его заранее кажется неоценимой: вы можете выражать свои недоумения только недоверчивой улыбкой, только пожатием плеч, а у него в руках оружие гениальной физической проницательности и щит небывалого авторитета.

Вы, наверное, думаете — зачем тут это красноречие литератора? А — затем, что до дня сегодняшнего (буквально — сегодняшнего!) публицисты, философы, физики разных стран — ближайшие потомки тех, кто в начале века не доверял и теории относительности, — теперь обязательно ссылаются на Эйнштейна, когда выражают недоверие к основам квантовой механики. Ссылаются на его авторитет — не на его доводы. И даже не упоминают, что эти доводы были опровергнуты.

Один из них мы, пожалуй, с некоторым огрублением могли бы оспорить сами, следуя нашему зароку: «Только без подробностей!» Кстати, может быть, такой «спор с Эйнштейном» рассеет некоторые наши собственные сомнения?

Вот электрон проскочил щель в экране. Перед ним, как «волницей», открылся простор. Волновой пакет его возможностей стал расширяться. Где суждено ему упасть на пластинку — с точностью предсказать нельзя. Но мы уже знаем: волновая картина показывает, какие есть у электрона шансы вызвать почернение здесь или там. Пусть будет десять шансов из ста, что электрон обнаружится в малом кружочке, который мы заранее очертили на пластинке. Тогда по логике дела есть девяносто шансов, что он окажется не в этом месте, а в каком-то ином. Так, наверное, и случится — иначе мы были бы слишком везучими. Но не об этом сейчас речь, важно подумать о другом: какая бы возможность ни реализовалась, в тот момент, когда электрон упадет на эмульсию, что-то, несомненно, должно будет произойти с его волновым пакетом — «пакетом вероятностей». Что же именно?

Вот об этом событии, как о событии физическом, стал допрашивать создателей квантовой механики Эйнштейн.

Момент приземления электрона — момент превращения одной из его возможностей в действительность. Стало быть, в этот момент все вероятности падения его в другие места должны тотчас исчезнуть. Так, все десять шансов, на какие мог еще за мгновенье до этого рассчитывать очерченный нами кружок, должны немедленно испариться: в этом месте этому электрону уже не бывать, раз он упал в другое место! Тут спорить не о чем. Но тогда это означает, что в момент падения электрона величина «пси» внезапно и сразу стала равной нулю для всего пространства, кроме места падений. Широкий волновой пакет электрона тотчас стянулся в узкий пик над местом приземления. В квантовой механике так и говорят: произошло «стягивание волнового пакета», или «сведение волнового пакета». Главное, что это произошло действительно мгновенно!

Не смущает ли это вас? Вообразите, что погасло Солнце. Мы узнаем об этом вовсе не в то же мгновенье, а лишь через восемь с лишним минут, когда до нас дойдут и оборвутся последние испущенные Солнцем электромагнитные волны, или кванты света. Нужно время, чтобы пространство «очистилось» от них: они распространяются с конечной скоростью света — предельной из возможных физических скоростей.

А мгновенное стягивание волнового пакета — мгновенное исчезновение всех вероятностей падения электрона в другие точки пластинки, когда одна возможность уже осуществилась, показывает, что пространство «очищается» от волн вероятности без затраты времени — с бесконечной скоростью. Что ж это значит? Что же это за физический процесс, который происходит быстрее распространения света?

Такой процесс невозможен. Или надо распрощаться с теорией относительности.

Так, может быть, на стягивание волнового «пакета вероятностей» все-таки затрачивается какое-то время, пусть хоть очень малое? Но тогда получается нечто совсем уж нелепое. Электрон упал? Да, уже упал. Значит, больше никуда упасть он уже не может? Конечно, не может. Но если вероятности исчезают постепенно, а не мгновенно, то какое-то время они еще сохраняются? Разумеется. И, значит, в течение всего этого времени у электрона есть вероятность упасть и в другие места, до которых сигнал о его уже совершившемся падении еще не дошел? Да, так, И чем дальше эти другие места от места действительного приземления, тем дольше сохраняется там вероятность, что упавший электрон сможет приземлиться и в каком-нибудь из этих мест… Чертовщина очевидная!

— Как же разрешить такой парадокс? — спросил Эйнштейн у создателей квантовой механики, когда в 1927 году выдающиеся физики Европы собрались в Брюсселе на 5-й очередной Сольвеевский конгресс для обсуждения угловатых и еще не обкатанных идей только что родившейся науки.

Отвечал Нильс Бор.

Ему трудно пришлось бы, если б он хоть на минуту допускал, что пси-волны — это «волны материи». Ему нечего было бы ответить Эйнштейну, если бы он думал, что сам электрон размазывается по пространству, когда расширяется его волновой «пакет вероятностей». Тогда падение электрона на пластинку — куда бы он ни упал! — и вправду должно было бы сводиться к мгновенному стягиванию в точку падения всего размазавшегося материального естества частицы. А такие вещи невозможны, такие физические процессы немыслимы.

Но в том-то и все дело, что стягивание волнового пакета электрона — это процесс нефизический.

Никакая материя при этом никуда не перемещается по пространству. И не происходит никакого «очищения» пространства от материальных волн или «пси-квантов» — таковых не существует, потому что не существует никакой заложенной в пси-волнах энергии, они вовсе не «волны материи». (Как планетные орбиты — вовсе не обручи в пространстве, помните?) В момент падения электрона, когда он внедряется в молекулу эмульсии, начинается новый этап его биографии: все прежние возможности для «его исчезают, и конечно, сразу, но появляются в этот же момент новые возможности в новых условиях. Новая глава его биографии будет называться «Жизнь в молекуле эмульсии». И новый «пакет вероятностей» расскажет о перспективах, которые ждут его в окружении молекулярных электронов, атомных ядер и электромагнитных полей. Это новый, несравненно более сложный и запутанный этап в жизни нашего электрона, чем свободный полет от щели к пластинке.

Противоречия с теорией относительности тут нет нигде. Стягивание волнового пакета, хотя оно и мгновенное, не посягает на скорость света, как на предел физических скоростей в природе.

…Разумеется, свои парадоксы Эйнштейн формулировал не этими словами. И не этими словами распутывал их Бор. И в рассказанном парадоксе были тонкости, которые здесь пропущены. Но нам надо было услышать хоть отголосок тех знаменитых боев. Они длились много лет. Эйнштейн придумывал все новые возражения против вероятностной догадки Макса Борна и соотношения неопределенностей Гейзенберга. Именно это многострадальное соотношение стало в 1927 году теоретической основой вероятностного толкования законов микромира. Тут для объяснения довольно четырех слов: «Где неопределенности — там вероятности!» Эйнштейн не соглашался признать ни то, ни другое.

Когда двадцатидвухлетний Ландау был в 1930 году в Германии, он видел Эйнштейна. «Конечно, я, в свою очередь, попробовал убедить его в принципе неопределенности, но, само собой разумеется, без всякого успеха», — вспоминал недавно Ландау. «Удивительным было, — сказал он, — парадоксальное сочетание в этом человеке величайшей гениальности, необычайной смелости мысли и каких-то остатков консерватизма».

Дискуссии Эйнштейна с Нильсом Бором остались яркой страницей в современной истории науки о микромире. Один противник был достоин другого: каждый удар Эйнштейна Бор отражал с такой же тонкой изобретательностью, с какой удар наносился. И квантовая механика выстояла против самой мощной атаки, какой вообще могла подвергнуться в XX веке любая физическая теория: против атаки современного Ньютона.

Очевидно, на стороне квантовой механики была природа.

 

Глава шестая

Еще одно расставание. — От рычага до мироздания. — Квантовая механика ссорится с фатализмом. — За Вислой в сорок четвертом году… — Это звучит как парадокс. Закономерное в случайном. — На знаменитом конгрессе. — Драма Луи де Бройля. — Малоприятное сообщение. — Посмотрите, это белый флаг! — Киев, лето 1959 года. — История продолжается.

1

Так вот она, давно обещанная крутизна, на которую взобрались физики: в глубинах материи перед ними открылся вероятностный мир, где природа вечно «играет в кости».

Что микромир таков — сомневаться уже нельзя. Но почему же нам, как и Эйнштейну, не хочется верить, что он таков? Слишком большими кажутся жертвы, которые приходится принести нашему сознанию и нашему чувству природы ради признания, что микромир устроен именно так. Однако велики ли эти жертвы на самом деле? Нет ли тут самообмана? (Вообще говоря, когда вопросы задаются в такой подозрительно адвокатской форме, заранее ясно, что жертвы, конечно, не так уж велики, а самообман наверняка есть. Все же надо в этом убедиться.)

Эти жертвы — лишь расставание с предрассудками мысли, теми «удобными» заблуждениями, которые укореняются в человеческой психологии и научных представлениях из-за всегдашней исторической ограниченности наших познаний. Таким предрассудком оказалось стариннейшее убеждение людей ученых и неученых, что время и пространство — абсолютны: едины и неизменны для всей вселенной. И только когда теория, относительности заставила физиков пожертвовать этим убеждением, все вдруг заметили, что признавали абсолютность времени и пространства без малейших физических доказательств. Это была вера. Физики и философы веками говорили друг другу: «Это же само собой разумеется, это же очевидность!» А выяснилось, что тут не было решительно ничего, что действительно разумелось бы само собой.

Так неужели избавление от предрассудка стоит называть сочувственно и возвышенно словом «жертва»?

Жертва? Скорее — освобождение.

Квантовая механика тоже потребовала таких освобождающих жертв. И если вы никогда ничего не читали о квантовой механике прежде, вам покажется немыслимой — недопустимой! — главная жертва, которую вынуждено было принести ей воспитанное веками человеческое чувство природы. Она заставила физиков отказаться от прежнего понимания причинности в явлениях природы! Не от самого принципа причинности, а от старого классического представления о его содержании.

…Одинаковые физические условия всегда порождают одинаковые физические события.

…Если точно повторять один и тот же опыт, он будет всегда давать один и тот же результат.

Можно на разные лады формулировать этот незыблемый «принцип определенности» классической механики — коротко или длинно, строго или не очень строго, словесно или математически. Но, кажется, одного с ним делать нельзя: нельзя от него отказываться!

Поройтесь в памяти школьных лет… Сколько я ни старался, я не мог найти в ней воспоминания об уроке физики, на котором наш старый учитель рассказывал бы или спрашивал о законе причин и следствий. Думаю, что вряд ли и у кого-нибудь другого отыщется такое воспоминание. Мы еще не знали, по малости лет, этих ученых слов «причина» и «следствие», но уже знали, что между ними всегда существует определенная однозначная связь. Это было то знание, которого не нужно было проходить в школе: оно жило в нас, безыменное, неосознанное и прочное, как все «очевидные» и «само собой разумеющиеся» истины. И незаметно оно стало одной из основ нашего физического миропонимания. Ему никогда не противоречил опыт. А школьная математика его узаконивала. У всех задач всегда бывал един верный или допустимый ответ. Даже когда мы проходили квадратные уравнения с бассейнами и кранами, купцами и аршинами и у нас из-за скверного свойства квадратного корня иметь два равноправных знака «+» и «—» неминуемо получались на бумаге два ответа, даже тогда, как правило, лишь один ответ признавался осмысленным, а второй — отбрасывался (не мог же купец отмеривать «минус пять аршин»).

Как ни углублялась наука в мир большого опыта, где движущиеся тела столь массивны, что их волнообразность никогда не могла дать знать о себе, простой закон причинности оставался нерушимым.

Даже теория относительности на него не посягнула! Хотя она и установила, что масса тел изменчива — зависит от их скорости, но мала ли эта масса, или велика — для законов теории относительности было безразлично. Для нее эта разница — только количественная: звезда для нее большой электрон, а электрон — маленькая звезда. Ничего особого в малости — самой малости! — микромира она не заметила. Она и возникла не как наука о микромире, а как физическая теория времени и пространства вообще. Правда, из-за ничтожности масс элементарных частиц законы теории относительности должны были стать особо важными для познания микродействительности: там легко осуществляются скорости, близкие к световой. Но не из свойств микромира эти законы были выведены.

Малость атомов и элементарных частиц, как источник новых, прежде неизвестных, удивительных закономерностей природы, была впервые замечена только квантовой механикой. И этой механике в конце концов пришлось посягнуть на старый закон причинности, хотя сначала никто не предполагал, что дело сможет зайти так далеко.

Более тягостного расставания с прежними представлениями физикам еще не приходилось переживать. И можно безоговорочно поверить академику Ландау.

— Психологические неприятности, связанные с теорией относительности, — сказал он в 1960 году, вспоминая в беседе с писателями эпоху 20 — 30-х годов, — показались физикам совершенно детскими огорчениями, когда им пришлось осваивать квантовую механику с ее «дикими» идеями…

И, конечно, самой «дикой» идеей был отказ от классического понимания причинности в природе. А остеречься этого отказа и предотвратить его уже нельзя было: к нему вела вся лестница открытий и выводов. Это тотчас видно, если оглянуться назад.

…Когда исчезающе малы массы частиц, реально ощутимы их волновые свойства.

…Когда реальны волновые свойства, нет обычных частиц, нет траекторий, возникают неопределенности.

…А где неопределенности — там вероятности. Где вероятности — там случай.

Ну, а там, где случай, там уже не остается места для простой классической связи между причиной и следствием. Случай есть случай: он оттого и существует, что существует обилие возможных ответов на один и тот же вопрос. От этого никакими хитростями не увернешься.

Уже нельзя надеяться, что одинаковые, физические условия всегда будут порождать одинаковые события. И нельзя ожидать, что точное повторение одного и того же опыта будет неизменно давать один и тот же результат. Электроны, падающие через узкую щель в экране, великолепно продемонстрировали нам, что это значит. Падая один за другим в, казалось бы, совершенно тождественных обстоятельствах, они, к изумлению физика-классика, приземлялись на фотопластинке вовсе не в одном и том же месте. А между тем не было никаких причин, по которым одному из них обязательно должна была «понравиться» точка напротив щели, а другому — где-то в стороне. Не было таких причин! Не было никаких вариантов в условиях опыта и ни малейших подвохов.

— Но, стало быть, какие-то причины все-таки были! Какие-то различия в условиях имели место! Надо лишь их найти… — вот что хочется возразить немедленно.

И хочется тут же привести примеры других случайных событий, беспричинность которых мнимая: были бы только уменье или охота проследить их историю — и эта беспричинность рассеется как иллюзии.

2

Старый классический затасканный кирпич падает на голову прохожему во всех учебниках философии, где речь идет о случайности и необходимости.

«Не повезло бедняге!» — говорят друзья прохожего.

«Несчастный случай!» — соглашаются доктора.

Но с точки зрения классической механики в этом событии не было решительно ничего случайного. Железная цепь причин и следствий привели пострадавшего в это мгновенье, а не другое, на эту улицу, а не на соседнюю, под карниз этого дома, а не дома напротив. И другая неумолимая цепь причин и следствий расшатала кладку карниза в этом месте, а не ином, и заставила, свалиться этот кирпич, а не близлежащий, в эту минуту, а не предыдущую… И, следовательно, оба этих причинных ряда не могли не пересечься: всей историей совокупности частиц, называемой «кирпичом», и всей историей совокупности частиц, называемой «головой прохожего», было предопределено, что в некий момент этот кирпич и эта голова окажутся в совпадающих точках пространства. А мы говорим — «несчастный случай!». Несчастный — да. Но случай — где же он тут гнездится?

Сначала еще чудится, что падение кирпича случайно по отношению к истории прохожего: не видно связи между биографией живого человека и мертвым бытием какого-то камня на каком-то карнизе. Но если можно проследить хотя бы на шаг назад и во всей полноте каждую из этих независимых историй, то в конце концов от их независимости не останется и следа. За первым шагом назад можно будет сделать второй, за вторым — третий…

Мы будем опускаться в глубину прошедших времен: человек, в бесчисленной смене поколений породивший несчастного прохожего, перестанет быть человеком, а явится нам первобытным существом. И кирпич сделается сначала глиной, потом обратится в разрозненную пыль разрушающихся где-то пород. Еще дальше назад — и прохожий сравняется s правах с кирпичом: оба окажутся на какой-то очень далекой от нас ступени — во тьме своей предыстории — всего только мириадами еще не организованных в молекулы атомов. И дальше — в первозданной мешанине элементарных частиц материи — нам откроется при полном расследовании стройный порядок: выяснится, что каждая частица двигалась так, а не этак, в силу точнейших причин — ее положение и скорость в любой момент являлись лишь результатом длинной цепи столкновений с другими частицами. Все были в ответе за всех. И атом, который нынче нашел себе место в затылке невезучего прохожего, когда-то был и всегда оставался соседом атома, нашедшего себе пристанище в обожженном бруске красной глины. Далеким или близким соседом — это совершенно неважно: все равно любой атом, любая частица во вселенной некогда определяли движение всех остальных атомов и частиц. А раз некогда определяли, то определяют и сейчас и будут определять впредь.

Так в итоге мысленного путешествия назад обнаружится, что несчастливое падение кирпича на голову прохожего было с неизбежностью механически обосновано еще в ту пору, когда не существовало ни Земли, ни Солнца, ни нашей Галактики, ничего, кроме хаоса элементарных шариков-частиц, подчиняющихся законам механики Ньютона. Деспотически строгим законам классической механики!

Они так деспотичны, да еще и универсальны, что с точки зрения классической механики само выражение «хаос частиц» — незаконно: в каждый момент беспорядочность этого хаоса — единственно возможная. И следовательно, она — порядок, в котором нет места случаю.

Есть что-то великолепное и вместе подавляющее в той неумолимо расчисленной картине природы, которую рисовала в течение веков классическая механика.

По-латыни — «фатум», по-русски — «судьба». Но еще прежде чем возник философский термин «фатализм», с древнейших времен едва ли не у всех народов существовало религиозное убеждение, что все заранее предопределено в жизни каждого человека и всего человечества: будущее записано «на досках судьбы». Казалось, что классическая механика дала долгожданное физическое, строго научное обоснование самому безудержному фатализму. Если в это мгновение кто-то зевнул в Австралии, а на Солнце вздыбился протуберанец, над Омском сверкнула молния, а вам стало скучно дочитывать эту границу, то не думайте, что в очевидной разрозненности таких событий нельзя увидеть «веления судьбы». Согласно фаталистическому истолкованию классической механики — можно! И некий всеведущий мудрец-математик мог бы все это с точностью предсказать еще во времена царя Гороха.

Вы скажете: «Бред!» И скажете правильно, но не последовательно.

Отчего же бред, если вы свято верите в классическую причинность и отказ от нее считаете недопустимым? Отчего же бред, если вы убеждены, что природа точно знает, почему один электрон падает напротив щели в экране, а другой — где-то в стороне? Если уж вы так твердо уверены, что у природы должны быть для этого точные однозначные основания, вы логически не имеете права не смириться с мыслью, что в ней заранее предопределено вообще все!

С точки зрения классической механики, мудрецу-математику при дворе царя Гороха для надежного предсказания дождя, что идет сейчас за вашим окном, достаточно было бы знать одно: абсолютно точные значения координат и импульсов всех без исключения тел и телец во вселенной для какого-нибудь момента времени. Тогда по законам механики Ньютона он рассчитал бы все будущие события, участницами которых должны были бы стать со временем все эти тела и тельца. И в список предсказанных событий неминуемо попали бы и насморк австралийца и нынешний дождик за нашими с вами окнами… Знаменитый математик Лаплас, современник французской революции и наполеоновских войн, был глубочайшим образом убежден в таком принципиальном могуществе классической механики.

«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!» — с великой и веселой нескромностью пригрозил когда-то Архимед, зная, что точки опоры ему никто не даст.

«Дайте мне координаты и скорости всех тел, и 4 я расчислю будущее вселенной!». — примерно так двумя тысячелетиями позже пообещал Лаплас, зная, что никто не сможет выполнить его просьбы, хотя бы из-за беспредельности мира.

В этих двух предположениях — история головокружительного роста классической механики: от теории рычага до системы мироздания.

Архимед разговаривал еще только как инженер. Лаплас — уже как философ. И тот и другой, как истинные ученые, полагали, что не превышают прав своей науки. Но Лаплас для этого неограниченно расширил ее права (неограниченное, конечно, нельзя превысить). А это уже был философский произвол: он не мог бы доказать, что законы механики определяют все разнообразие природы. Это можно было только провозгласить, надеясь, что будущее этого никогда не опровергнет. Однако будущее не оказалось таким сговорчивым, как того хотелось бы Лапласу и его сторонникам.

Сначала диалектический материализм показал, что законов классической механики мало для объяснения бесконечного многообразия форм движения материи. Потом к философской критике лапласовского фатализма прибавилась критика чисто физическая. Последний удар по этой теории, так похожей на древние жестокие вероучения, нанесла в наше время квантовая механика. Разве не ясно это после всего, что узнали мы об ее открытиях?

В какое глупейшее положение попал бы мудрец-математик при царе Горохе, имей он в своем распоряжении даже лучшие современные ядерные лаборатории и электронно-счетные станции!

— Дайте мне абсолютно точные значения координат и скоростей вот этих частиц, — властно показал бы он пальцем.

И не получил бы ответа! Принцип неопределенности с его «каморкой неточностей» стал бы в первую же минуту проклятьем этого простодушного мудреца. Он убедился бы, что просто не может получить те исходные начальные данные, каких требуют уравнения классической механики. Этих данных нет у природы. А с вероятными значениями координат и скоростей ему, собравшемуся делать абсолютно точные предсказания, возиться было бы незачем.

Угроза Архимеда была только макроскопической (Земля, рычаг). Она не затрагивала законов микромира. И потому была принципиально выполнима, оставаясь лишь технически несбыточной.

Обещание Лапласа невольно вторгалось в распорядок и микродействительности (дайте мне сведения обо всех частицах). И оно, являясь философски несостоятельным, было и физически нелепым.

Но, право же, ради одного только избавления от лапласовского фатализма — от этой угнетающей мысли, что все в мире, все без исключения всегда было таким, каким ему и надлежало быть от века, и все без исключения будет таким, каким ему от века быть предопределено, ради одного только освобождения от этой мертвой хватки механической судьбы, право же, стоило распрощаться с классическим представлением о неумолимой однозначной причинности в природе!

3

У лапласовского фатализма есть другое название — механистический детерминизм. В этом философском термине прекрасное существительное и скверное прилагательное.

Происхождение прилагательного очевидно: в нем повинна механика Ньютона, возомнившая в гордыне своей, что она владеет абсолютной истиной — ключами от всех тайников природы.

Латинский глагол «детерминаре» — «определять» или «обуславливать» — дал начало понятию «детерминизм». Отнесенное к мирозданию, это понятие содержит самое общее философское убеждение, что природа закономерна.

Каковы же ее закономерности?

Этого философия не решает.

Тут слово берет естествознание.

Конечно, в материалистической диалектике понятие детерминизма — закономерного хода вещей — одно из главных.

Но диалектика не была бы всеобъемлющей наукой, а стала бы ревнивой и склочной нянькой при временно царствующей особе какой-нибудь одной физической теории, если бы признавала полномочной власть лишь одного типа закономерностей в природе. Такою нянькой при классической механике стала в свое время механистическая философия. Она-то и вскружила голову ньютонианцам. А детерминизм диалектический — подлинный, марксовый, ленинский, не искаженный догмами и страхами перед ересями, — не может отдавать предпочтение одним формам физических законов и отказывать в истинности другим: он против навязывания природе придуманных человеком ограничений. Были бы только законы действительно физическими — не взятыми с потолка. Диалектика смеется над самообольщениями ученых, когда они воображают, что в их формулы вмещается все разнообразие природы. Диалектика полагает, что знания физиков всегда ограниченны и у вселенной всегда есть в запасе нечто новое и неслыханное.

В этой широте диалектического детерминизма — его неопровержимость.

Здесь та же широта, что у философского определения материи. «Объективная реальность, не зависящая в своем бытии от наших чувств и нашего сознания». Так вообразите, чудака, который врывается к вам и объявляет: «Слышали — открыта элементарная частица, опровергающая своими свойствами философское понимание материи!» Не спрашивайте, в какой лаборатории сделано такое сенсационное открытие, не клеймите чудака идеалистом, попросите только растолковать, что значит его фраза, и тогда через минуту выяснится, что он ее не понимает. Бессмыслицу понять действительно трудновато.

Физические закономерности, которые смогли бы поколебать диалектический детерминизм, это совершенно такой же миф, как элементарная частица, опровергающая философское представление о материи. Для подобного подвига эти воображаемые закономерности должны были бы обладать сверхъестественным свойством: не быть закономерностями природы!

Квантовая механика поссорилась с детерминизмом механистическим, но вовсе не с детерминизмом вообще.

Она показала, что механика классическая — ее частный, или, как говорят физики, предельный, случай: старые законы движения сами вытекают из новых, когда волновые свойства масс можно не принимать во внимание.

Постоянную Планка — ничтожно малый квант действия — дробь с двадцатью семью нулями в знаменателе — можно считать неотличимой от нуля, когда рассматриваются крупномасштабные физические события.

Разве не позволительно считать невесомой песчинку, налипшую на шасси «ТУ-104»? Разумеется, ее вес не исчезает оттого, что мы им пренебрегаем. Но он таков, что ему не дано оказать никакого реального влияния на движение самолета, и потому самый осторожный инженер вправе положить его равным нулю, то есть сделать вид, будто этой песчинки не существует на свете.

Законы классической механики автоматически получаются из квантовых формул, когда масштаб изучаемых явлений позволяет физикам без заметного ущерба для ретины предположить, что знаменитая «h» равна нулю.

(Хотите убедиться в этом? Тогда дайте себе труд подумать, что изменилось бы в природе, если бы мировая постоянная Планка и впрямь равнялась нулю. При измерениях в принципе была бы достижима любая точность: ответный сигнал измеряемой системы, который не может быть меньше кванта действия, мог бы стать сколь угодно малым, потому что этот квант был бы равен нулю. Ни о какой минимальной «каморке неточностей» не имело бы смысла говорить: ее площадь определяется величиною кванта действия, и если бы «h» равнялась нулю, то и площадь нашей каморки могла бы становиться нулевой. Ну, а тогда ничто не мешало бы ее ширине и ее длине одновременно обращаться в нуль: неопределенности в координате и скорости частицы стали бы устранимы. Соотношение Гейзенберга потеряло бы всякое значение: любое тело могло бы в каждый момент Времени обладать совершенно точной координатой и точной скоростью. Иными словами, тела двигались бы всегда и — всюду по траекториям. Квантовые законы ничем не отличались бы от законов классических. Вот это и происходит, когда крупный масштаб физических явлений разрешает ученым закрыть глаза на существование такой малости, как постоянная Планка.)

За пределами микромира сама собой отпадает практическая нужда в «диких идеях» квантовой физики. И это лучший способ определить саму границу между микро- и макромирами. Она ведь условна: ее, эту границу, проводит наука, а не природа. Природа едина, и когда мы пренебрегаем для наших целей ее тонкими тонкостями, они от этого не исчезают из реальной действительности. Во вселенной, наверное, одинаково существенно все. Любые физические теории — только приближение к сложному устройству реальности. И прозрачно ясно, что квантовая механика — приближение более тонкое, чем механика классическая.

Более тонкое и более глубокое. А потому и более истинное. И даже более красивое. Это утверждает такой выдающийся теоретик, как Поль Дирак. «Основные идеи классической механики и законы, управляющие применением этих идей, — писал он, — образуют простую и изящную схему. Казалось бы, эта схема не может быть улучшена без утраты всех ее привлекательных свойств. Тем не менее оказалось возможным ввести новую схему, названную квантовой механикой, которая более пригодна для описания явлений атомного масштаба и… в известном смысле, более изящна и удовлетворительна, чем классическая схема». Дирак забыл только прибавить, что оттого и «более изящна», что «более удовлетворительна». (Впрочем, «забыл» — это сказано неверно. Просто Дирак думает как раз наоборот. Однажды, приехав в Москву и читая публичную лекцию в Политехническом музее, он уверял изумленную аудиторию, что именно красоту физической теории нужно признать критерием ее истинности. Не порождением истинности, а ее критерием! К сожалению, Дирак не объяснил, почему он так думает.) Итак, вероятности, законы случая, статистические законы в недрах материи! Это, пожалуй, самое сокровенное открытие современной физики. Так что же в нем страшного? Да, право, ничего.

Наука о микромире обнаружила лишь нечто такое, чего никто не ожидал: открылось, что вероятностные закономерности — более общий и более тонкий тип закономерностей в природе, чем тот, с которым исследователи имели дело в мире большого опыта, породившего классическое представление о простой причинности.

Вот и все!

4

Сколько раз уже встречалось на предыдущих страницах это успокаивающее восклицание — «вот и все!» Но не стоит думать, что за ним скрывается лишь нехитрый авторский прием утешения читателя в трудные минуты пути («Смотри, как легко мы взяли подъем, а ты боялся!»). Нет, это не утешение. Подъемы и вправду преодолеваются сравнительно легко, если только сбросить груз нашей извечной логической привычки — объяснять новое посредством старого.

Мне вспоминается тут одна маленькая история фронтовых времен, забавная и, кажется, очень идущая к делу.

Однажды за Вислой, в 44-м году, артиллеристы захватили в плен сбитого гитлеровского аса. В штабной землянке лежали на столе оружие, документы и разные вещички пленного. Среди этого добра чье-то внимание привлекли необычные ручные часы: у них не было головки для завода пружины.

«Что за чертовщина, — сказал кто-то, — они же не заводятся? Придумал ерунду какой-то ловкач!» Однако за качество ручалась марка — «Сделано в Швейцарии». Часы исправно тикали, стало быть, каким-то образом все-таки заводились. И у них был вид дорогой новинки (асу — по карману). Мы тотчас стали спорить об устройстве непонятного механизма. Хотели открыть заднюю крышку, но она была плотно привинчена, вручную справиться с нею не удалось. Послали к связистам за подходящим инструментом. А спор продолжался…

Не помню всех гипотез, какие высказывались. Однако помню, что большинство склонялось к различным вариантам одной и той же идеи: швейцарцы научились делать такие тонкие пружины, что часы заводят, наверное, сразу на месяц, на год, на десять лет, потом открывают и снова заводят — изнутри. Кто-то усовершенствовал общую идею, сказав, что пружину закручивают снаружи посредством магнита. Даже это показалось вполне правдоподобным. Словом, скрытый механизм всячески толковали на старый лад. И подняли на смех одного пророка, который простодушно предположил, что часы «заводятся сами»! Технически обосновать свою мысль он не смог, а сказал только: «Надо подумать как…»

Помню накал того теоретического спора вокруг загадочного пустяка: как сектанты инаковерующих, мы с редкой изобретательностью оскорбляли и унижали друг друга. И лишь того, кто сказал «сами заводятся», миролюбиво и дружно обозвали блаженнейшим, мистиком, попом, идеалистом, остряком-самоучкой… А потом забыли о нем.

Его не вспомнили и тогда, когда связисты открыли часы. Между тем все увидели продолговатый балансир на оси заводной пружины и поняли: когда человек двигает рукой, балансир свободно падает и при каждом падении чуть подкручивает пружину — часы сами заводятся от случая к случаю.

Осмеянный пророк нерешительно заметил:

— Я же говорил, что сами…

Его прервали:

— То есть как это «сами»! А балансир?

Он не нашелся, что возразить. А мог бы! Он мог бы, сказать, что мы — недобросовестные спорщики, если позволили себе приписать ему мысль, будто часы ходят «святым духом». Не это он думал, а только то, что вместо обычного способа закручивания пружины на определенный срок тут использован какой-то новый принцип завода. Он мог бы прикрикнуть на нас и разоблачить рутину нашей мысли:

— Вы напридумывали всякий вздор, вроде нескончаемой пружины на десять лет, лишь бы уберечь ваше привычное представление о причине непрерывного хода часов. Вам и в голову не пришло, что исправная, строго причинная работа этого точного механизма может зависеть от такой ненадежной вещи, как случай! Конечно, движения руки владельца — события лишь возможные, а не обязательные, и с работой часового механизма никак не связаны. Вот от-того-то и можно сказать: часы заводит случай! И тем не менее они идут отлично, не останавливаясь. Тут действует вероятностный закон. Он позволяет ожидать, что очередное движение руки наступит раньше, чем израсходуется уже накопившийся завод пружины. Вы мудрили на старый манер, а там, под крышкой, устройство оказалось проще простого, да только совсем не такое, какое вам мерещилось…

Он этой тирады не произнес, и мы не были посрамлены. Однако, как видите, та история запомнилась и даже нечаянно пригодилась. (Честное слово, она чем-то очень напоминает современные споры вокруг принципов квантовой механики.)

С точки зрения классической причинности вся природа — часы с бесконечной пружиной, заведенной на веки веков: эта классическая природа не нуждалась в помощи случая. Но микромир предстал перед физиками нашего столетия, как прекрасно идущие часы без заводной головки. Надо было решить — как они заводятся? И когда теоретики вместе с экспериментаторами нашли «подходящий инструмент», чтобы приоткрыть крышку этого загадочного механизма, они увидели, что там, внутри, в глубинах материи, — навсегда заведенной бесконечной пружины нет. Образно говоря, им открылось, что случай заводит механизм классической причинности!

Вы сами чувствуете, как трудно было согласиться с этим. И отовсюду раздались голоса: «А балансир?!» Другими словами — уже без образного иносказания, — с разных сторон стали делаться попытки объяснить посредством старой классической причинности саму работу случая. Это было стремлением во что бы то ни стало избавить картину природы от господства вероятностных законов, словно они хуже причинных, словно лапласовский фатализм понятней принципа неопределенности. Это было желанием снова сделать так, чтобы случай «стал ничем».

Попытки объяснения нового на старый лад, конечно, всегда соблазнительны: они сулят легкое понимание непонятного. Беда лишь в том, что когда такие попытки приводят к успеху, ученые убеждаются, что новое знание — вовсе не новое! Ведь если оно вытекает логически из старого, то значит уже содержалось в нем. Когда же оно — принципиально новое, то есть отражает прежде неведомые законы природы, подбирать к нему старые ключи — бесцельное самомучительство мысли. Ничего не выйдет.

И все-таки освободиться от этого рутинного соблазна часто трагически трудно. Даже великим умам это далеко не всегда удавалось и удается. А безысходные поиски таких невозможных объяснений особенно мучительны, когда новое знание включает в себя старое, как свое частное проявление. Еще бы! Тогда это поиски чуда: как передать звучание оркестра звуками одного рожка?.. И бывает так, что пока исследователи убеждаются в бесполезности своих усилий, проходят годы. Даже десятилетия. Проходит жизнь, как это было в истории несогласия Эйнштейна с вероятностным толкованием квантовой механики.

Тут все та же драма идей.

Однако не смешно ли: так прост и неотразим этот общий довод — «новое не вмещается в старом», а многим замечательным ученым нашего времени он словно бы и неизвестен! Так что же: мы мудрецы, а они чудаки? Предположение маловероятное, не правда ли?

Остается уловить смысл надежд на возвращение к старым законам классически-причинного типа.

5

Добро бы, дело обстояло так: случай — штука капризная, вероятности — вещь ненадежная, со спокойной душой положиться на квантовую механику нельзя, ее расчеты и предсказания могут вдруг подвести. Поэтому — давайте отыскивать другие законы микромира, безупречно точные, такие, чтобы вмешательство случая не грозило попутать нам карты.

Замечательно, что надежды на возвращение к «точным» законам движения никто и никогда не связывал с мыслью о таком улучшении квантовой механики. Она в этом не нуждалась. Физики сразу увидели, что на нее можно положиться: припомните цифру — около тысячи работ по квантовой механике за первые два года ее существования! Она блистательно доказала свою правоту и работоспособность. Она доказала, что открытые ею «неточные» законы гораздо безупречнее по точности, чем точнейшие законы механики классической.

Это звучит как парадокс, но приблизительность классических законов состояла именно в их абсолютной точности. Они приписывали природе то, чего в ней нет. Законы классической причинности как бы «улучшали природу» — они исправляли ее великую небрежность, ибо она сама вовсе не позаботилась о том, чтобы любые события совершались в ней по единственному заранее и навсегда установленному расписанию. Но то обстоятельство, что наука «улучшает» природу, доказывает не истинность знания, а его ограниченность. Снабдив частицы волновыми свойствами, природа наделила их целым спектром возможностей. А классическая механика заставляла все тела всегда ходить по струнке. Точность ее законов была очень удобной: она позволяла ученым однозначно предсказывать поведение механических систем. Однако, как заметил первооткрыватель электрона Джи-Джи Томсон, «нельзя думать, что вселенная построена по принципу наибольшего удобства математиков». Абсолютная математическая точность классических законов обернулась их физической неточностью.

Это-то и подвело классическую однозначную причинность, когда она попыталась распространить свой деспотизм и на микромир, где волновыми свойствами частиц уже нельзя было пренебрегать безнаказанно.

…Согласно старым «точным» законам альфа-распад радиоактивных ядер, скажем, урана, был бы совершенно невозможен. Неважно, как внутри тяжелого уранового ядра образуется легкое ядро гелия — альфа-частица. Важно, что эта альфа-частица удерживается в урановом ядре огромными силами ядерного притяжения. Они гораздо могущественней сил электрического отталкивания, которые стараются выставить альфа-частицу наружу. Ядро как бы окружено барьером — физики называют его «потенциальным». Прорваться через него трудно — он высок. Для этого нужна большая энергия движения. Изучая альфа-распад, физики убедились, однако, в необычайной ситуации: энергия вырвавшихся на свободу частиц оказалась намного ниже высоты потенциального барьера. Как же альфа-частицам удается совершать невозможное? По строжайшим предписаниям классических законов любая альфа-частица была бы обречена только колебаться в пределах ядра, без малейшей перспективы покинуть его, пока, быть может, из какого-нибудь внешнего источника к ней не притекла бы нужная энергия. Между тем ядра урана распадаются самопроизвольно!

Квантовая механика объяснила необъяснимое. На основании принципа неопределенности она показала, что у альфа-частицы всегда есть возможность как бы нечаянно оказаться и по ту сторону барьера. Только вероятность этого классически-незаконного события. очень мала. Так мала, что средняя продолжительность жизни уранового ядра — благополучной жизни до альфа-распада — измеряется непредставимо громадным промежутком времени: примерно 6,5 миллиарда лет. (Оттого-то, хотя в залежах урановых руд нет-нет да и распадаются то тот, то другой атом, эти руды не исчезли в земной коре. Возраст Земли, по современным оценкам геологов, 4–5 миллиардов лет. Это все-таки короче средней продолжительности жизни урана.)

Проникновение альфа-частицы за потенциальный барьер было названо «просачиванием», а все это странное явление физики стали называть «тоннельным эффектом»: частица не преодолевает барьера поверху, так как ее энергия для этого слишком мала, а как бы прорывает тоннель из ядра на волю.

В этих образных выражениях — просачивание и тоннель — слышится вечная тоска физиков по наглядным представлениям. Так и хочется вообразить себе альфа-крота, который затрачивает в среднем шесть с половиной миллиардов лет на прорытие тоннельного хода в гористом барьере, окружающем урановое ядро. Нас должно утешать, что эти образы придумывают сами высоколобые теоретики.

Вы еще не забыли свидетельства Ландау, что сознание физиков работает ныне в таких сферах, где воображение уже не может оказать им никаких услуг? Однако видите: все-таки они прибегают к его услугам. Математической мысли теоретиков; так же как и нашей более скромной мысли, не очень уютно живется среди одних только непредставимых отвлеченностей. Стоит еще раз вспомнить, как Эйнштейн в письме к де Бройлю говорил о «гадких квантах». Может быть, поэтому теоретики время от времени и привлекают себе на помощь поэзию: она возвращает их заоблачную мысль в наш земной классически-причинный мир, где действительно надо шаг за шагом прорывать тоннель, чтобы выбраться на ту сторону горы. Им, как и нам, образы помогают яснее понять непонятное. Но мы, как и они, должны отдавать себе отчет, что эти образы — только образы! Млечный Путь не сделан из молока, и он не путь, а альфа-частица не роет на протяжении миллиардов лет никакого тоннеля.

Эти миллиарды лет средней продолжительности спокойной жизни уранового ядра говорят лишь о том, какая редкость альфа-распад, — как редко из всех возможностей движения альфа-частицы осуществляются те, что выводят ее за пределы барьера ядерных сил.

Однако хоть и редко, но осуществляются!

Между «редко» и «никогда» — гигантская разница.

Классическая причинность говорила альфа-распаду — «никогда!». Как и для всего на свете, она не допускала для альфа-частицы обилия возможностей, а признавала законной только одну «ту, которая обладает стопроцентной вероятностью осуществления: в самом деле, если бы энергия альфа-частицы заранее превышала величину барьера, она, конечно, немедленно покинула бы ядро. Такой альфа-распад классическая причинность милостиво разрешила бы. Да только ядра урана в этом разрешении уже не нуждались бы: их просто не существовало бы на свете — Они распались бы сразу.

Стопроцентная вероятность — это полная достоверность события. Вот идол, которому поклоняется классическая причинность. А природа этому идолу вовсе не поклоняется. И квантовая механика оказалась физически гораздо более точной наукой, чем ее предшественница. Настолько точной, что, например, в теории альфа-распада она безукоризненно правильно связала энергию вылетающих альфа-частиц со средним временем жизни радиоактивных элементов. И эта энергия и это среднее время (рыли измерены на опыте задолго до появления квантовой механики. Но смысл таблиц, которые составлялись учеными, и смысл кривых, которые они чертили в своих лабораториях, оставались загадочными, пока вероятностные законы микромеханики не раскрыли этих загадок.

6

Может показаться непонятным — откуда берется какая бы то ни была точность предсказаний там, где господствует случай? И вправду: когда ожидаемое событие не единственно возможное, когда оно не обладает стопроцентной вероятностью, оно ведь может наступить, а может и не наступить!

Если бы экспериментатор умудрился проследить за излучением какого-нибудь одного возбужденного атома натрия, он вовсе не обязательно стал бы свидетелем испускания «желтого кванта». Могла бы на его глазах осуществиться и другая возможность, поскольку излучение иных порций энергии здесь тоже имеет свою вероятность: разрешенных уровней энергии много, и возможны разные квантовые скачки с уровня на уровень. Лишь одно достоверно — какой-то из возможных для натрия квантов был бы испущен. Но теоретик не взялся бы утверждать, какой именно квант будет излучен этим атомом в этом опыте. Так где же тут математическая точность предсказания?

Ее действительно нет. Но в том, что ее нет, есть высшая физическая точность. Есть точность отражения того, что происходит в природе, а не на бумаге. Это подтверждается опытом: мы же видели, как электроны, падая в одинаковых условиях через одну и ту же узкую щель в экране, приземляются не в одном и том же месте, а в разных местах фотопластинки. Факт непостижимый с точки зрения классической причинности» но тем не менее факт! Уж не царит ли в микромире произвол?

Нет. Хотя там и господствуют случайности, произвола там нет. Случайности подчиняются своей дисциплине. И потому в предсказаниях квантовой механики есть и своя высшая математическая точность.

…В любых спектрах натрия все-таки наиболее ярко горит желтая линия, а не какая-нибудь другая.

…Во всех залежах урановых руд за равные сроки претерпевает альфа-распад одна и та же доля атомов урана, и средняя продолжительность жизни его ядер — 2,04·1017 секунд, или 6,5 миллиарда лет, — всюду одинакова.

…Поток электронов, пролетевших сквозь узкую щель, прорисовывает на пластинке ясную волновую картину дифракции, а не располагается как попало.

Суть в том, что корпускулярные и волновые свойства частиц связаны закономерно. И для каждой возможности в любом микроявлении возникает своя вероятность осуществления. И когда случай может хорошо поработать, когда излучают сразу триллионы возбужденных атомов, когда перед перспективой альфа-распада оказываются триллионы триллионов неустойчивых ядер, когда к пластинке устремляется через щель бесчисленное множество частиц, тогда каждый шанс успевает сбыться, и в результате каждая возможность становится действительностью в своей статистически закономерной доле.

Здесь как нельзя более кстати можно вспомнить прекрасные слова Маркса о необходимости, которая пробивает себе дорогу сквозь толпу случайностей!

Около ста лет назад были сказаны эти слова. И, разумеется, Маркс произнес их совсем по другому поводу. Не только до принципа неопределенности, но даже до открытия электрона было еще далеко. Однако мысль Маркса звучит поразительно современно. Она словно бы специально приурочена к тридцатилетним непрекращающимся спорам вокруг квантовой механики.

Вероятности разрешенных природой — возможных! — событий в микромире пробивают себе дорогу сквозь толпу случайностей. Закономерным распределениям вероятностей в конце концов подчиняется случай. Это та необходимость, которая заменяет в микромире классическую однозначную причинность.

Квантовая механика в своих предсказаниях дает именно эти закономерные распределения вероятностей. Она дает их с полной и строгой математической точностью.

Может быть, самый убедительный пример надежности ее предсказаний — убедительный для любого человека — исправная работа атомных электростанций. Благодаря высочайшей точности вероятностных расчетов физики научились управлять стихийно-случайным и чудовищно-грозным процессом деления ядер урана и тория. Атомные реакторы — это, в сущности, квантовомеханические машины, вырабатывающие ядерную энергию.

Нет, нет, физики, мечтавшие и мечтающие о возвращении к старой однозначной причинности, никогда не выражали недовольства квантовыми законами из-за их «неточности». Не было для этого оснований! И не о свержении квантовой механики они помышляли. Это было бы вопиющей несуразицей. Меньше всего можно было бы заподозрить в таких намерениях Эйнштейна и де Бройля — людей, давших квантовой механике ее первые революционные идеи. Нет, они хотели только одного: спасти свою «философию природы».

Это было трудное испытание: от собственных физических идей спасать свою веру в классический детерминизм. Веру — снова надо повторить — именно веру! Не существовало никаких научных и философских оснований предпочитать однозначную причинность многозначной, вероятностной. Ход вещей в природе не становился от этого менее закономерным.

Может быть, Эйнштейн в глубине души соглашался с этим? Он ведь ограничивался, в сущности, только критикой вероятностного истолкования законов квантовой механики, он словно бы дразнил ее создателей своими парадоксами, но не тратил усилий на поиски какого-нибудь иного толкования. Может быть, он чувствовал безнадежность таких усилий?

Де Бройль посвятил им лучшие годы жизни и занят этого рода исканиями сейчас, на склоне лет. И надо ли удивляться, что он сам назвал собственное открытие, с которого все началось — открытие двойственности волн-частиц, — «наиболее драматическим событием современной микрофизики»?!

Нас это удивить уже не может, но вместе с тем и не удивляться тут нельзя. Вдумайтесь в смысл его слов: драматическим названо не заблуждение, а глубокое прозрение, не отход от правды природы, а приближение к истине!

Разве не значит это, что великое научное достижение ученого стало для него источником настоящей внутренней смуты? Оно заставило его как бы поссориться с самим собой. Де Бройль произнес приведенные выше слова сравнительно недавно — в октябре 1952 года. В сущности, у его личной драмы идей тот же. возраст, что и у самой квантовой механики. И раз уж начался наш рассказ о рождении микромеханики с надежд и сомнений де Бройля, то, пожалуй, естественно бедами де Бройля его и окончить: это будет означать, что конца нет. Знавшая столько бурь и незнакомая с затишьями, история квантовой механики продолжается…

Уже ясен смысл сомнений французского физика. Но в чем же смысл его надежд на возвращение к старой однозначной причинности? Он сам предупреждает, что в этих поисках путей назад — к механистическому детерминизму — «в конечном счете не исключена возможность неудачи». Однако добавляет: «В науке, как и в повседневной жизни, счастье часто улыбается смелым».

Заметьте, как на протяжении творческой жизни одного человека решительно изменилось положение в физике! В начале 20-х годов, когда он работал над своей знаменитой диссертацией, нужна была смелость, чтобы старым классическим представлениям противопоставить новые — небывалые. Нужна была не только смелость мысли, но и смелость характера, дабы не убояться критики, недоверчивых улыбок, насмешливых слов. А теперь, через тридцать с лишним лет, смелость оказывается необходимой уже для прямо противоположного дела: для попыток вернуться вспять — от небывалого к бывалому. Это лучшее свидетельство того, как прочно победила «квантовая революция» в физике. Теперь требует отваги уже посягательство на ее принципы.

Так на что же надеялся и надеется Луи де Бройль?

Оттянем еще немного ответ на этот вопрос. Надо сначала, хоть в общих чертах, рассказать, как было дело.

7

В одной из первых главок этого долгого повествования упоминался 4-й Сольвеевский конгресс физиков, а в одной из последних — 5-й — Нужна маленькая справка.

Сольвеевских конгрессов было семь. Первый состоялся в 1911 году, последний — в 1933-м. Они были названы так по имени Эрнеста Сольвея, человека, несомненно, выдающегося. В молодости рабочий, он самоучкой стал инженером-химиком. Он был наделен незаурядным талантом изобретателя. Прямой способ получения соды из поваренной соли принес ему с годами, кроме известности, громадные деньги. Но и превратившись в крупного промышленника, он не утратил глубокого интереса к инженерным исканиям, и шире — к науке вообще. Видимо, всего больше его волновали вопросы строения материи. И он верно почувствовал великую потребность физиков нашего стремительного века в регулярном интернациональном общении — в разностороннем обговаривании новых идей и новых результатов. Он предназначил часть своих средств для созыва в Брюсселе — бельгийской столице — международных физических конгрессов. Эйнштейн был восхищен этим замыслом Сольвея, Резерфорд назвал превосходной идею бельгийца. Три конгресса состоялись при жизни Сольвея и четыре после его смерти (он умер в 1922 году глубоким стариком). Эти конгрессы обессмертили его имя, потому что едва ли не каждый из них остался памятной вехой в истории современной физики.

Случилось так, что два сольвеевских конгресса — 1-й и 5-й — сыграли в творческой жизни Луи де Бройля очень важную роль: один — вдохновляющую, другой… но, подождите, об этом-то здесь и идет рассказ.

Разумеется, присутствовать на 1-м конгрессе младший де Бройль не мог: в 1911 году ему было всего девятнадцать лет, и, кроме его брата, никто еще не знал, что где-то в Париже растет молодой физик с глубоким философическим складом ума. Зато Морис де Бройль был не только участником, но и одним из секретарей 1-го конгресса в Брюсселе, где шла напряженная дискуссия о квантовой гипотезе Планка. Вернувшись в свою лабораторию на улице Байрона, старший де Бройль начал готовить отчет об этой дискуссии. Младший — погрузился в чтение материалов, привезенных братом, и с головой окунулся в атмосферу нескончаемых споров вокруг самых острых научных проблем того времени. Это определило всю его последующую судьбу. Он почувствовал, что речь идет о будущем современной физики.

«Со всем пылом моих тогдашних лет, охваченный приливом энтузиазма, я дал самому себе обещание посвятить все свои силы постижению истинной природы таинственных квантов, которые Макс Планк ввел в теоретическую физику десятью годами раньше, но глубинный смысл которых еще не был раскрыт», — так Луи де Бройль вспоминал о прошедшем В год своего шестидесятилетия. Оглянувшись назад, он мог бы с удовлетворением сказать, что выполнил былое юношеское обещание: с того момента, когда в 1919 году он снял военную форму, жизнь его была действительно отдана квантовой физике.

К осени 1923 года, когда собрался 4-й конгресс Сольвея, он закончил свою замечательную диссертацию. Вы, наверное, не забыли, как Ланжевен говорил тогда в Брюсселе Абраму Федоровичу Иоффе о работе своего гениального ученика; «Идеи диссертанта, конечно, вздорны, но развиты с таким изяществом и блеском, что я принял диссертацию к защите».

А в 1927 году «а 5-м Сольвеевском конгрессе уже вели свою знаменитую дискуссию об утраченных траекториях и волнах вероятности Эйнштейн и Бор. На этот раз в Брюссель уже не мог не приехать де Бройль-младший. Недавний диссертант со «вздорными идеями» стал одним из основателей квантовой механики.

Именно в промежутке между этими двумя Сольвеевскими конгрессами «трещина мира» прошла через разум и сердце физиков нашего века. В перерыве между двумя брюссельскими теоретическими семинарами родилась новая наука. И при этом возникла не просто новая отрасль знания, а появилось новое физическое понимание закономерного хода вещей в природе. И не оттого ли, что «потрясение основ» произошло так стремительно, физики чувствовали себя точно ошеломленными? У них не было времени срастись с новыми представлениями, постепенно привыкнуть к их смущающей новизне. Подъем был крут и неблагоустроен. Для них, как и для нас.

В общем, когда в октябре 27-го года в Брюсселе по традиции встретились крупнейшие теоретики Европы, принципам квантовой механики пришлось пройти настоящее боевое крещение. «Боевое крещение!» — это слова Гейзенберга. В таких выражениях почти тридцать лет спустя писал он о 5-м Сольвеевском конгрессе. Там споры шли о самом главном — о вероятностном истолковании законов микромира. Там однозначная — и потому казавшаяся такой понятной — классическая причинность давала ожесточенный бой причинности вероятностной, многозначной — и потому казавшейся такой непостижимой.

Председательствовал великий голландский физик, создатель классической электронной теории и предшественник Эйнштейна по теории относительности Гендрик Антон Лоренц. Старейший из присутствующих, он был настроен, пожалуй, непримиримее всех.

Интересно, конечно, что Лоренц, который был двадцатилетним студентом Лейденского университета, когда появилась максвелловская теория электромагнитного поля (1873 год), уже знал на собственном опыте, как несправедливы бывают современники к новым идеям в физике. Но, очевидно, прав был Бернард Шоу, сказавший, что уроки истории заключаются прежде всего в том, что люди не извлекают из истории уроков. Молодой Лоренц так живо заинтересовался в свое время теорией Максвелла, что стал ее усердно изучать «по доброй воле». Однако очень скоро он заметил, что не понимает ее физического содержания. Тогда он поехал в Париж, где в это время вышло французское изложение идей Максвелла. Он надеялся, что автор этого изложения поможет ему понять непонятное. Каково же было его удивление, когда парижский последователь Максвелла сказал ему, что теорию поля вообще понять нельзя — надо довольствоваться ее чисто математической, абстрактной и прекрасной формой, не ища за этой формой никакого физического смысла. Молодой голландец не поверил французу. С годами он стал великим продолжателем максвелловских идей.

Но теперь, в 1927 году, старый урок был забыт.

Лоренц выразил свое непризнание принципов квантовой механики не только непримиримее всех, но и яснее всех.

— Представление о явлениях, которое я хочу себе составить, должно быть совершенно ясным и определенным… — сказал Лоренц и продолжал так, словно вокруг сидели дети, которым нужно было популярно объяснить очевидную вещь: — Для меня электрон — это частица, которая в каждый данный момент находится в определенной точке пространства. И если электрон сталкивается с атомом, проникает в него и после многочисленных приключений покидает этот атом, то я… представляю себе некоторую линию, по которой электрон двигался в атоме.

Это было даже не отрицанием гейзенберговского соотношения неопределенностей, а полным пренебрежением к духу и смыслу квантовой механики.

Можно легко вообразить, с какими чувствами слушал эти классически-спокойные слова двадцатишестилетний Гейзенберг. Негодование должно было подниматься в его душе: столько усилий потрачено, чтобы понять доказанную на опыте неклассичность движения электрона, столько мучительных сомнений преодолено, столько противоречий распутано, а этот великий старик, когда-то и сам знававший, что такое насмешливое недоумение современников, позволяет себе говорить так, будто ничего не случилось в физике и все идеи квантовой механики — заведомый вздор! Однако негодование Гейзенберга могло быть только скрытым: старик был в три раза старше, а менять физические убеждения всей своей долгой и деятельной жизни в 74 года вряд ли кому-нибудь под силу.

Старик был не только великим физиком, но и великим характером. Однажды он сказал Абраму Федоровичу Иоффе во время прогулки в Гарлеме слова, которые звучат трагически: «Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялось ясным».

Крутизна, которой не мог одолеть старый Лоренц, оказалась не под силу даже сравнительно молодому де Бройлю. Он ссылался на многовековой «культ ясности мысли» для того, чтобы объяснить свое недоверие к принципу неопределенности и вероятностным законам.

Когда он работал над диссертацией о «волнах материи», ему вовсе не думалось, что волновые свойства частиц заставят отказаться от классических траекторий, от однозначной причинности. И он рассказывает, как в годы, предшествовавшие 5-му Сольвеевскому конгрессу, все время делал попытки «дать изложение квантовой механики, опираясь на традиционные представления физики».

Сейчас ясно, что из этого ничего не могло получиться. И осенью 27-го года в Брюсселе де Бройля ждало глубокое разочарование.

Он привез с собою теорию, основанную на традиционных представлениях. Она образно называлась: «теория волны-пилота» или «волны-лоцмана». Уже в самом этом названии отразилось стремление построить наглядную модель движения частицы. Безнадежное стремление! Его доклад не встретил поддержки. Даже со стороны Эйнштейна. «Он одобрял меня на том пути, по которому я шел, — вспоминает де Бройль, — но тем не менее не одобрял достаточно определенно моей попытки». И Шредингер, ненавистник квантовых скачков, построивший волновую механику на почве первоначальной идеи де Бройля о волнах материи, на сей раз не стал его союзником. Вы помните: создатель волновой механики просто хотел сконструировать частицы из волн. Представление о пси-волне, ведущей, как пилот, частицу, было для него неприемлемым. «Шредингер, который не верил в существование частиц, — говорит де Бройль, — не мог следовать за мною». И, наконец, на решительные возражения сторонников вероятностного толкования законов микромира де Бройль не нашелся, что ответить. Он оказался одиноким в Брюсселе — одиноким даже в окружении могучих противников «квантовой революции».

Так закончился первый акт его драмы.

8

Не поразительно ли: когорта критиков вероятностной многозначной причинности была в Брюсселе и вправду на редкость могучей — Лоренц, Планк, Ланжевен, Эйнштейн, Шредингер, де Бройль; казалось бы, кто мог выстоять против таких сил? А принципы квантовой механики выстояли! Правда, на их стороне стояла шеренга тоже гроссмейстеров физики: Бор, Борн, Гейзенберг, Дирак, Паули… Но главное, конечно, заключалось в том, что на стороне этих принципов была еще и природа, а на стороне их критиков только традиция. Победу одержала природа. Могло ли случиться как-нибудь иначе?

Де Бройль вернулся в Париж, огорченный и взволнованный спорами на конгрессе. Он продолжал размышлять над своей теорией и, наконец, пришел к печальному умозаключению, что она не защитима.

Так начался второй акт его драмы. Пожалуй, самый мучительный.

Дело в том, что, оставив теорию волны-пилота, он не оставил своей старой механистической убежденности, что в природе возможна только однозначная причинность. Не потеряв этой веры, он, однако, совершил вероотступничество: он присоединился к вероятностному толкованию законов микромира, в глубине души не веря в его истинность. «Я пал духом и присоединился…» — с редким мужеством сознался он через четверть века в измене самому себе. «В течение 25 лет я признавал ее (вероятностную точку зрения. — Д. Д.) как основу своего преподавания и излагал в своих книгах и лекциях».

Двадцать пять лет он втайне жаждал избавления от того, с чем примирился, продолжая лелеять свои сомнения и неоправдавшиеся надежды.

А избавление не приходило. Время работало в пользу принципов квантовой механики. Оно постепенно превращало эти принципы, как и принципы теории относительности, в новую классику — классику XX века, — в основу основ современного естествознания. (Так с годами стал бронзовеющим классиком современной поэзии сверхнеклассический Маяковский и на наших глазах становится маститым классиком современной архитектуры столь же неклассический Корбюзье. Время, хоть и не очень спеша, в конце концов всегда узаконивает новое!)

Годы шли, и как бы само собою сделалось так, что молодые исследователи приходили в науку, успев еще на университетских лекциях и семинарах срастись с новыми представлениями. И живая мысль большинства из них уже чувствовала себя как дома в странном мире утраченных траекторий и не тяготилась ни принципом неопределенности, ни волнами вероятности.

Противниками многозначной вероятностной причинности оставались главным образом те, кто в 20-х годах присутствовал при рождении квантовой механики и с первого дня не одобрял ее принципов. Они продолжали спасать свою веру в механистический детерминизм. Отколовшийся от них де Бройль надеялся на ее спасение тайно, а они во главе с Эйнштейном, Планком, Шредингером делали усилия спасти ее явно. Их основным оружием была критика, а не конструирование новых теорий. И Макс Борн говорил, что «эту группу выдающихся людей можно назвать возражающими в философии или, если употребить менее почтительное выражение, ворчунами».

Словом, время шло, де Бройль читал парижским студентам квантовую механику «как надо», думая, что на самом деле «надо не так». А как? Это не прояснялось. Второй акт дебройлевской драмы грозил никогда для него не кончиться: возрождения старых надежд не предвиделось.

Но однажды летом… Видите, и в физике события порою происходят, как в заправском беллетристическом повествовании. Итак, однажды летом 1951 года выдался день, когда де Бройль вдруг почувствовал себя помолодевшим сразу на двадцать пять лет. В этот день он познакомился с еще не опубликованными статьями молодого американского физика Давида Бома, в которых услышал голос собственной молодости: там звучало отчетливое эхо теории волны-пилота и были прямые ссылки на нее. Нет, это было больше чем эхо. Де Бройль писал: «…Бом полностью воспроизвел (во всяком случае, в одной из тех форм, которые я им придал) мои построения 1927 года, а в некоторых пунктах дал интересные дополнения». А вскоре де Бройль был обрадован во второй раз: другой молодой физик — француз Жан-Пьер Вижье — тоже обратился к его давним идеям, веря в их жизненность и плодотворность.

Так некогда павший духом вновь духом воспрянул.

Де Бройль вернулся к своим прежним исканиям. И в октябре 1952 года, точно в ознаменование 25-летия 5-го Сольвеевского конгресса, он выступил в Париже с лекцией, в которой распрощался со вторым актом своей драмы. Эта лекция — замечательный документ истории современной физики. Но, кроме того, она и великолепный человеческий документ — живое свидетельство того, как сложна и мучительна бывает внутренняя жизнь ученого, честно ищущего правду природы. Между прочим де Бройль сказал:

— Несомненно, некоторые, зная, что я оставил свои первые попытки и в течение двадцати пяти лет во всех своих работах излагал интерпретацию Бора и Гейзенберга, быть может, обвинят меня в непостоянстве, когда увидят, что я вновь испытываю сомнения по этому поводу и задаю себе вопрос, не была ли в конечном счете правильной моя первая ориентация. Если бы я захотел пошутить, я мог бы на это ответить словами Вольтера: «Глуп тот, кто не изменяется»…

Второй акт кончился. Но кончилась ли драма? Оправдались ли возрожденные надежды де Бройля? Тут пора уж, наконец, рассказать, на что же надеялся и надеется в своих попытках вернуться к однозначной причинности один из основателей квантовой механики, а заодно с ним и молодые физики, которых Макс Борн даже в шутку не мог бы назвать ворчунами. Однако надо еще чуть-чуть помедлить с ответом: кое-что очень существенное не досказано о том. как было дело.

9

Свою памятную лекцию 1952 года Луи де Бройль озаглавил так: «Останется ли квантовая физика индетерминистической?»

Слышите: «Останется ли?»

Когда дети спрашивают, останется ли котенок слепым, они видят: он незряч. И знают: он был незрячим с рождения.

Индетерминизм — отрицание детерминизма.

Так уж не хотел ли де Бройль сказать, что квантовая физика с самого своего рождения отрицала причинно-закономерный ход вещей в природе? Да, он хотел сказать и сказал именно это, если днем рождения квантовой механики считать тот день, когда возникло вероятностное толкование ее законов.

Наука, отрицающая причинность! Для непривычного уха это звучит, наверное, чудовищно или смешно. Я говорю «наверное», потому что не помню уже собственного первоначального ощущения от студенческих разговоров об индетерминизме в квантовой механике. Разговоры эти — бесчисленные и нескончаемые — засасывали, как трясина, и требовали такого изнуряющего хитроумия и так часто кончались ссорами и «выяснениями отношений» с лучшими друзьями, что где уж там было сохраниться в сознании первому впечатлению от невероятной встречи с беспричинностью в науке. Или точнее — первому впечатлению от неожиданного открытия:

— Целая плеяда выдающихся физиков утверждает, что события в атомном мире ничем не обусловлены, беспричинны!

Де Бройль ничего не преувеличил. Он знал, что делал, когда ставил в заглавии своей лекции этот нелепейший, казалось бы, вопрос: «Останется ли квантовая физика наукой, отрицающей причинность?» Вот это и есть то «кое-что», чего не хватало в рассказе о том, как было дело.

Гроссмейстеры квантовой механики, победившие в 27-м году, выглядели до сих пор совершенно безгрешными творцами и защитниками революционных физических представлений. Такими безгрешными, что и слово-то «гроссмейстеры» тут могло показаться слишком легкомысленным или журналистски развязным: гроссмейстеры — они земные, небеспорочные, они ошибаются и даже нередко проигрывают. А эти — почти небожители с золотистым нимбом вокруг чела. Или по крайней мере рыцари без страха и упрека. Или, на худой конец, первые ученики с неизменными пятерками в табеле, без запинок и без ошибок отвечающие на любые вопросы. На самом же деле ни Бор, ни Гейзенберг, ни Борн, ни Дирак не таковы: рыцарями без страха они, пожалуй, были всегда, но без упрека — нет, этого не было! А если позволить себе говорить, подражая примеру Борна, менее почтительно, то нашелся предмет, по которому эта группа выдающихся людей сумела сразу же нахватать отнюдь не пятерки. Этот предмет — философия. Или по крайней мере философская терминология. Вы спросите: а кто выставлял отметки? Ответить легко: истина и история!

Здесь невольно вспоминается смешное и грустное замечание одного из сотрудников Нильса Бора: «Квантовая теория очень похожа, — сказал он, — на иные победы: вы смеетесь в течение месяцев, а потом плачете долгие годы».

Было так: едва увидев, что в микромире власть однозначно-причинных классических законов кончается, они, эти бесстрашные теоретики, признали ниспровергнутой причинность вообще.

Открывшийся им вероятностный мир природы они назвали миром без детерминизма.

Случай, который был ничем в классической механике и стал всем в механике квантовой, показался им синонимом произвола, не связанного ни с какою формой необходимости.

Вероятностные закономерности не приобрели в их глазах объективного смысла: они сочли эти закономерности чем-то таким, что возникает только в ходе нашего познания микрореальности — в статистике измерений — и из этой статистики переносится в саму природу.

В вековечной борьбе материализма и идеализма непогрешимые физики оказались вольно или невольно на стороне последнего, как это уже бывало не раз в истории естествознания и о чем так страстно и глубоко писал в свое время Ленин.

Вернер Гейзенберг совершенно отчетливо понимал источник тревог Эйнштейна и других «возражающих в философии». Он писал по поводу этих тревог: «Критические замечания в адрес квантовой теории… начинаются обычно с опасения, что квантовая теория даст повод отрицать существование объективно реального мира, то есть считать мир в некотором роде иллюзией…» Но защищал он квантовую теорию от этих подозрений довольно своеобразно: он добавил в скобках, что у Эйнштейна и других проявляется «недопонимание доктрины идеалистической философии»!

Вы видите:.проницательнейшие исследователи, обладатели тончайшего чутья физической реальности совершили в истолковании собственных открытий жалкое философское грехопадение. (Этим эпитетом «жалкий» когда-то наградил философа Маха Альберт Эйнштейн.)

Малоприятное сообщение, согласитесь?

Я нарочно не спешил с ним, стараясь найти для него место поближе к концу этого рассказа. Очень не хотелось, чтобы философские заблуждения или философская неосторожность целой плеяды создателей квантовой механики бросили тень на физические истины новой науки. Это ведь бывало. Тот, кто не желал понять или не хотел принять физические принципы микромеханики, немедленно обрушивался на философские суждения Бора, Борна, Гейзенберга, Дирака. И, расправившись с этими суждениями, утверждал, что ему удалось показать несостоятельность самой механики микромира. С таким же успехом, отвергнув философский фатализм Лапласа, можно было бы торжественно объявить, что тем самым упраздняется и механика Ньютона. Но вспомните еще раз слова мудрого Менделеева: «Оно, конечно, сказать все можно, а ты поди демонстрируй!»

Соотечественник Гейзенберга и Борна, великий Гёте когда-то говорил, что созданное поэтом стихотворение уже не принадлежит поэту — оно принадлежит людям, и что думает о нем сам поэт, не столь уж важно. О научных завоеваниях можно сказать то же самое. Соотношение неопределенностей не собственность Гейзенберга, а волны вероятностей не собственность Борна. И философские мнения первооткрывателей по поводу их открытий решительно ни для кого не обязательны. Нередко это просто плоды бесполезной работы «не по специальности». Этими плодами никто не жаждет завладевать. Что с того, что Мопертюи видел в принципе наименьшего действия доказательство премудрости божьей? К физике это отношения не имеет. Конечно, прекрасно, когда философия исследователя так же истинна, как его эксперименты или математические построения. Тогда она может предостеречь ученого от ложных исканий или направить его мысль в нужную сторону. Но когда физик склоняется к идеалистическим нелепостям, не надо привлекать к ответственности за эти его физические идеи: они тут, право же, ни при чем; их источник — изучение реальной природы, а не философские размышления на досуге!

Была еще одна причина, по которой хотелось оттянуть подальше к концу это малоприятное сообщение о грехопадении безгрешных: я подумал — их утверждения уже не потребуют скучного многословного оспаривания после рассказа о физических принципах квантовой механики, после битвы физических идей. И разве это не так? Разве нужно еще специально доказывать, что крушение классической причинности не есть конец причинности вообще? Разве, нужно доказывать, что случай — не произвол и хаоса не рождает, что природа держит его в узде своими вероятностными закономерностями? Разве нужно доказывать, что все обилие возможностей в движении волн-частиц существует независимо от наших лабораторных опытов и что распределение вероятностей между этими возможностями каждый раз закономерно? Словом, откидывая всяческие тонкости философских споров вокруг принципов квантовой механики, нужно ли доказывать, что ее физическое содержание нигде и никак не противоречит материалистической диалектике? «Ибо единственное «свойство» материи, — говорил Ленин, — с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания». Где же, в каком пункте своих построений квантовая, механика могла дать повод говорить, что микромир и его закономерности объективной реальностью не обладают!

Такого пункта днем с огнем не сыскать — в квантовой механике, как и в любой науке о природе. Разумеется, какой-нибудь измотанный бессонницами астроном может вдруг сказать: «Знаете ли, поведение Луны — глупо!», но смешно подумать, чтобы его коллеги стали с ним спорить: «Нет, Луна ведет себя очень умно!» Физические явления и математические закономерности не могут быть глупыми или умными, идеалистическими или неидеалистическими. Таковыми могут быть только мнения ученых — их толкования законов и фактов.

Так, может быть, не стоило здесь вообще касаться этих нефизических словесных боев вокруг механики микромира? Наверняка не стоило бы, если б не скрестили в этих боях оружие сами физики. И еще: если б не пошла гулять по свету дурная молва об «открытиях физики XX века, опровергающих материализм».

10

Невероятные веши писались о квантовой механике.

«Доводы современной науки дают, может быть, возможность сделать заключение, что религия стала приемлемой для-здравого научного ума, начиная с 1927 года». Это слова известного английского астрофизика Артура Эддингтона.

Его коллега, крупнейший английский теоретик нашего времени Поль Андриенн Морис Дирак, должен был почувствовать смущение, услышав такой логический вывод из одного своего замечания. Дирака спросили: «Как движется электрон?» «Как хочет, у него свободная воля!» — примерно так ответил он. Здравый научный ум ищет объяснения для всего происходящего. И если у электрона есть «свободная воля», каковой не бывает, почему бы не предположить, что в его поведении выражена «воля всевышнего»? Вот что хотел сказать Эддингтон. И не вполне ясно только — в шутку ли он говорил или всерьез. Однако если и в шутку, то все-таки видно, как нешуточно обернулось дело.

(Правда, от Эддингтона можно было ожидать, что он сказал это и всерьез. Его слава среди физиков-теоретиков была своеобразна: он любил эффектные и рискованные, но не слишком основательные теоретические выводы. Академик Ландау однажды заметил, что в физике встречается немало «патологических работ». Патология — наука о болезненном состоянии организма, и не надо объяснять, что значит термин «патологические работы». А о том, что таких работ в физике действительно немало, свидетельствует простой факт: этот термин стал у теоретиков международным. Патологические работы на первый взгляд словно бы вполне серьезны, но при ближайшем рассмотрении сразу обнаруживают свою нелепость. Академик Ландау рассказал: «Помню, как лет тридцать назад в веселой среде теоретиков, — а они, как правило, люди нервные, но не скучные, — разрабатывался шуточный проект созыва международного конгресса «физиков-патологов». Намечали делегатов из разных стран, на пост; председателя конгресса прочили одного, ныне покойного, английского астрофизика…» Из уважения к памяти большого ученого, который не всегда же был патологом, Ландау не хотел назвать имени Эддингтона. Но, поверьте, это именно его намечали молодые и веселые теоретики на не слишком почетный пост. Да вы и сами видите: одного его суждения о квантовой механике и религии было бы более чем достаточно для такого избрания.)

Дело и вправду обернулось нешуточно.

«Епископы и настоятели ухватились за эту новую теорию, точно то был хвост дьявола… И было великое ликование если не в небесных чертогах, то хотя бы в епископских дворцах». Так написал в своей духовной автобиографии соотечественник Дирака и Эддингтона широко известный писатель Сомерсет Моэм. Казалось бы, какое дело изысканному беллетристу и драматургу до квантовой механики и ее идей? И, наверное, он не обратил бы на нее никакого внимания, если б дурная молва не распространилась так всесветно. То была цепная реакция: Эддингтон логически продолжил Дирака, епископы — Эддингтона, епископов — сам римский лапа, который в конце 20-х годов стал очень интересоваться естествознанием XX века.

Но, право же, непонятно, почему квантовая механика пришлась папе и богословам больше по вкусу, чем механика классическая? Сумели же философы-фаталисты так истолковать однозначную классическую причинность, что вся история вселенной оказалась на вечные времена предопределенной «начальными условиями» движения составляющих ее тел. Тут всего один шаг до идеи творца, задавшего эти начальные условия в библейский день творения! Впрочем, примерно так и думал Мопертюи. А приспособить идею бога к многозначной вероятностной причинности, честное слово, несравненно труднее. Да и неясно, зачем понадобились бы всемогущему такие нехорошие законы, как вероятностные законы случая? Представляете, как это хлопотно!

Учитель принца де Бройля, сын парижского рабочего-коммунара Поль Ланжевен называл философию беспричинности «интеллектуальным развратом». Эйнштейн называл ее более снисходительно — «литературой». (Правда, Сомерсет Моэм полагает, что в устах Эйнштейна это был лишь вежливый вариант слова «чушь»).

Теперь уже совсем по-другому должны звучать для нас слова Макса Борна о старых ворчунах, «возражающих в философии». Им было против чего возражать. Было!

Это стало настоящей бедой квантовой механики: с первого дня ее физические принципы и ложное философское истолкование их так тесно переплелись, что эти ни в чем не повинные законы природы стали постоянным предметом сомнений и нападок, как источники философского зла. (Точно можно идейное зло рассматривать, как явление физическое, а не социальное!) Наш академик Владимир Александрович Фок, удостоенный в 1960 году Ленинской премии за работы по квантовой механике, сделал, быть может, больше, чем кто бы то ни было другой, для избавления науки о микромире от этой напасти. Он тоже вел долгие дискуссии с Нильсом Бором, но спорил не с физиком Бором, а с Бором-философом. Он спорил с ним в Копенгагене — в признанной столице квантовой механики, — доказывал Бору, что не все благополучно в Датском королевстве.

Было это в 1956 году. А через полтора года в Москве, на Всесоюзном совещании по философским вопросам естествознания, академик Фок рассказал:

— Совсем недавно я получил от Бора гектографированный текст его новой работы, озаглавленной «Квантовая физика и философия», из которой видно, что во многих существенных пунктах он со мной согласился.

Академик Фок перечислил эти пункты, и по аудитории прокатилась та легкая волна удивления, которую в стенограммах обозначают словами «движение в зале». Среди этих пунктов было признание полной объективности вероятностных закономерностей.

И главное: «Бор признает причинность и отвергает толь-ко лапласовский детерминизм»!

Движение в зале было легко объяснимо: глава «копенгагенской школы» перестал настаивать по крайней мере на своей былой философской терминологии. Было ли это результатом споров с русским коллегой или итогом собственных многолетних размышлений великого копенгагенца, но так или иначе произошла существенная переоценка философских терминов и понятий. Истина и история сделали то, что должны были сделать.

Как истории и истине даются их успехи — это вопрос специальных изысканий. Сразу видно только одно: успехи эти даются нелегко. Но они неизбежны. Правда, не стоит впадать в лапласовский фатализм и утверждать, что они заранее предопределены. Нет, за них надо бороться. Это-то сделал настойчиво академик Фок. Но в духе квантовой механики можно сказать, что измена идеализму и приход к материалистической диалектике — события наиболее вероятные в духовной жизни больших ученых. Нужно ли тут подробное обоснование такого утверждения? Я вспоминаю, что пишу только «путевые заметки», и вместо доказательств хочу сослаться лишь на столь необязательную вещь, как мимолетные впечатления. Для этого есть оправдание: в непосредственных ощущениях современника всегда присутствует правдами есть в них своя живая убедительность.

11

Мне вспомнились тут зеленые холмы Киева, тропический июль 59-го года, когда природа с помощью беспощадного солнца наглядно демонстрировала свою материальность.

…Под тенистой листвою не в срок желтеющих от жары каштанов, на знойном асфальте Крещатика, в многолюдье душного вестибюля гостиницы «Украина», на высоком берегу Днепра всюду можно было встретить в те июльские дни приезжего человека немного выше среднего роста, не то седого, не то слишком русоволосого, с внешностью, которая была бы вполне заурядной, если бы не скульптурная округлость, — знаете, такая бетховенская округлость и мощь, — выразительной головы. Если бы! Но как раз этой-то деталью — в облике приезжего невозможно было пренебречь; к его белой рубашке прикреплена была прямоугольная картоночка в целлофановом конвертике, и на картонке было начертано латинскими буквами одно слово: Гейзенберг.

В те дни всюду встречались киевлянам люди с такими визитными карточками на груди. Шла 9-я Международная конференция по физике частиц высоких энергий, и со всего мира съехались в столицу Украины теоретики и экспериментаторы. Нагрудные карточки облегчали взаимное общение.

Хотя приезд Вернера Гейзенберга ожидался (программа оповещала, что он будет председательствовать в последний день конференции), было в его появлении нечто небудничное: с ним вместе вошла в вестибюль гостиницы живая история квантовой физики. История держала в руке потрепанный деловой портфель. История выглядела гораздо скромнее гостиничного швейцара. В ней не было никакого парада, а только естественность: по причине жары История сняла галстук и стала ходить с расстегнутым воротом. Как и самому веку, Гейзенбергу не было тогда еще и шестидесяти лет.

Философские дискуссии не входили в повестку дня конференции. И хотя в зале сидели люди, заведомо по-разному относящиеся к вероятностному толкованию квантовой механики, на эти темы не говорилось ни слова. Получалось так, что скрытые философские разногласия словно бы и не мешали физикам заниматься их исследовательским делом.

Хотелось спросить у них: отчего это так?

Спросить я не решился. Впрочем, один раз попробовал, но получил довольно язвительный ответ:

— А может быть, вы мне сначала объясните, — усмехнулся профессор X., — какое влияние могут оказать философские споры на фотографирование следов элементарных частиц или на взятие какого-нибудь проклятого интеграла? Я отвечу на ваш вопрос, как только услышу объяснение…

Мне ничего не оставалось, кроме как пробормотать: «Да, конечно, я понимаю…» Вечером в зале ресторана, где ужинали участники конференции, наблюдатели и журналисты, профессор X. поманил меня пальцем.

— Смотрите, — сказал он все с той же усмешкой, — вон сидит Гейзенберг-идеалист, а рядом Фок-материалист. Разногласия не мешают им с равным успехом поглощать плоды земли и переваривать их. Хотя подождите-ка, видите, старик Гейзенберг глотает какие-то таблетки. Может быть, природа все-таки наказала его за непоследовательную веру в ее объективное существование? Но тогда за что наказан Фок? Видите, он плохо слышит, у него микрофончик и усилительный аппарат. Но, понимаете ли, главное, что я вам хотел сказать: они сидят и дружески разговаривают, несмотря на разногласия. Знаете, почему? Потому, что они разговаривают о деле. О деле!

Я, разумеется, ничего возразить не мог. Да и не собирался: я сам видел, что философские разногласия не мешают физикам заниматься делом, я ведь с того и начал, что хотел понять — почему не мешают? И мне пришло в голову сказать профессору X., что, очевидно, ему в свое время очень насолили философы, но не понятно, отчего должен расплачиваться за это литератор. Он засмеялся и предложил:

— Давайте мировую. Хотите, я вам расскажу что-нибудь физическое?

Но мне в тот момент хотелось «чего-нибудь философского». В присутствии человека с визитной карточкой «Гейзенберг» довольно естественно было думать о смысле физических законов, а не о подробностях физического знания.

Простейший ответ на мой праздный вопрос пришел сам собою. Он возник сначала в виде безотчетного, но верного ощущения. Не помню, кто делал в ту минуту очередной доклад — профессор ли Смородинский из Москвы или профессор Альварец из Беркли, профессор ли Салам из Лондона или академик Боголюбов из Дубны, — это было совершенно неважно. Ощущение, о котором я говорю, в том и состояло, что на минуту показалось совершенно неважным, кто делает доклад! По сцене ходил и убежденно сообщал о новых фактах и новых формулах физик, приехавший сюда из какого-то пункта на земном шаре. Нет, даже и это было неважно: он — мог прилететь с Марса, он мог явиться в Киев с 62-й Лебедя, он мог прийти из прошлого или из будущего, — все эти различия потеряли на минуту всякое значение.

По сцене расхаживало мыслящее существо, впряженное в подвижную конструкцию легкого микрофона, как хомут накинутого на шею. Оно, это мыслящее существо, переходило от кафедры к меловой доске, волоча за собою, как брошенный повод, нескончаемый радиошнур. И зал, в тесной упряжке наушников, тянул вместе с ним тяжело перегруженный воз кропотливейшего познания микрореальности. А когда. докладчик приостанавливался и устало опирался на лекторскую указку, в воображении возникал образ безыменного странника с походным посохом в руках — вечного странника, которому еще идти и идти.

(Конечно, эти слова — странник, посох, воз — не из обихода нашего благоустроенного века, но дороги исследователей благоустроенными не будут никогда, это пути в незнаемое.)

О чем говорили физики, о чем они спорили? В конце концов все сводилось к обмену сведениями и догадками о том, что действительно имеет место, и о том, чего не может быть в микромире. Они спорили друг с другом, как и соглашались, на интернациональном языке экспериментов и математики. И в темноте, когда начиналась демонстрация микрофотографий, диаграмм и схем, когда не видно было лиц и только световой конус эпидиаскопа стягивал в одну точку нити всеобщего внимания, с удвоенной силой возникало ощущение, что все эти люди связаны какой-то единой присягой верности, равно обязательной для всех. Верности чему? Ответ был наготове: истине физического знания.

Этому не противоречит то, что у каждого научного открытия, большого или маленького, всегда есть своя родословная: дата и место рождения, имена и фамилии родителей. Такая родословная, конечно, отражает характер эпохи и страны, где успех был достигнут. Даже биография и темперамент ученого отражаются в этой родословной. Но только в родословной — только в истории открытия, а не в его физическом содержании. Иначе оно не имело бы никакой цены.

Конечно, для жизни человеческого общества, для будущего землян часто далеко не безразлично, особенно в наши дни, где, кем и для чего добываются физические истины. «А кто воспользуется открытием, которое я сделал?» — Фредерик Жолио-Кюри недаром спрашивал об этом еще тогда, когда не был ни коммунистом, ни руководителем движения сторонников мира. Не этот ли вопрос привел его к коммунизму? Даже история современной физики, не говоря уж об истории социальной, не забудет, что Филипп Ленард был гитлеровским негодяем, а Эдвард Теллер — энтузиастом водородной бомбы… Вот почему было сказано выше, что «географические» различия между физиками потеряли всякое значение только на минуту. Только на минуту! Правда, нам эта минута сейчас очень важна.

Физики, съехавшиеся в Киев со всех концов земли, обменивались адресами и взаимными приглашениями в гости. Но все они молча признавали, что их подопечный — мир элементарных частиц — географического адреса не имеет. Молча признавали они, что всюду и везде он управляем одними и теми же законами природы, а не человеческими установлениями. Об этом-то и поведала сразу наша произвольно допущенная минута.

Не могло быть даже тени сомнения, что это их общая нерушимая убежденность. Как могли бы наши физики из Дубны и американские физики из Беркли обмениваться научной информацией, если бы они не верили, что в лабораториях Дубны и лабораториях Беркли протоны ведут себя совершенно одинаково и представляют собою одну и ту же физическую реальность? Чем могли бы взаимно обогатиться теоретики Японии и экспериментаторы Италии, если бы в них не жила молчаливая уверенность, что микромир существует сам по себе и в своих закономерностях не зависит от волеизъявлений микадо или происков Ватикана? И, наконец, зачем бы ехал в Киев Гейзенберг, если бы он внутренне не был вполне убежден в объективной реальности природы? Как он мог бы надеяться, что будет понят другими и сам поймет других? Зачем бы он тогда вообще занимался физикой?

Вот что одолевало меня, стороннего наблюдателя, в Киеве: сомнения в искренности и «додуманности» физического идеализма… А тут еще киевская жара! Днем и ночью она с грубой прямолинейностью доказывала всем и каждому, что природа существует абсолютно независимо от сознания людей и делает свое потогонное дело, совершенно не считаясь с их желаниями и не спрашивая их согласия. При температуре в 36 градусов ночью ни один здоровый человек не может долго оставаться субъективным идеалистом, а человек, глотающий таблетки, тем более! (Неспроста же в древней Греции не было сколько-нибудь серьезной школы субъективного идеализма. Там средняя годовая температура для этого, право же, слишком высока.)

Был день, когда Гейзенберг тоже впрягся в микрофон и тоже волочил по сцене нескончаемый шнур. Все-таки надев ради торжественности случая мучительно материальный галстук, он рассказывал о своих новых физических построениях. Потом он вел заключительное заседание. И, сидя в зале рядом с профессором X., я сказал ему шепотом:

— Знаете, почему философские разногласия не мешают физикам заниматься делом? Потому что все вы — явные или тайные материалисты. Даже тогда материалисты, когда думаете, что это не так.

И еще мне пришло на ум, что этот безотчетный профессиональный материализм исследователей природы — то, что Энгельс и Ленин называли стихийным материализмом естествоиспытателей, — рано или поздно неизбежно должен в нашем веке превращаться в материализм осознанный и последовательный. Я и это сказал профессору X. Он ответил мне шепотом:

— Вы ломитесь в открытые двери. А что касается старика Гейзенберга, то с ним это уже, кажется, случилось…

— Когда? — спросил я от неожиданности громче, чем это было допустимо, и «старик» Гейзенберг с председательского места на сцене вопросительно посмотрел в зал.

— Года четыре назад, — услышал я шепот X. — А может, еще раньше. Наверху в киоске есть сборник к семидесятилетию Бора. Перелистайте — сами увидите…

И через час, стоя у окна в фойе, я читал фразу, которая за подписью Вернера Гейзенберга звучала бы некогда так же неправдоподобно, как в устах Бора признание физической законности понятия «детерминизм». Вот эта фраза: «…Физик должен постулировать в своей науке, что он изучает мир, который не он изготовил и который существовал бы без значительных перемен, если бы этого физика вообще не было».

«Вообще не было», — звучало в моих ушах.

Пожелай я выразить сверххудожественно свое впечатление от этого открытия, я мог бы сказать, что трепещущая на ветру страница с фразой Гейзенберга показалась мне белым флагом над былой копенгагенской крепостью.

12

Вот как много воды утекло со времен знаменитого Сольвеевского конгресса 1927 года!

И если бы де Бройль в своей памятной лекции спросил: «Останется ли индетерминистическим толкование квантовой физики?» — он, как вы видите, получил бы желанный ответ: «Нет, не останется!» И что самое неожиданное, его заверили бы в этом былые вожди индетерминизма — Бор и Гейзенберг. Заверения надежней ему и искать не надо было бы.

Но де Бройль спросил не это. К сожалению, не это. Он спросил: «Останется ли беспричинной сама квантовая физика?» И выразил в своем вопросе старое механистическое убеждение, что без классической однозначной причинности детерминизма нет. Назад, к Лапласу! — вот что это значило, если отбросить тонкости и детали.

Теперь уж надо, наконец, без всяких новых отсрочек объяснить: какие же надежды вдохновляли его?

…Дело в том, что классическая физика тоже сталкивалась со случайными событиями и статистическими закономерностями. Сама математическая теория вероятностей возникла гораздо раньше квантовой механики. Она возникла на классической почве. И не для утешения игроков на рулетке в крошечном Монте-Карло, а для нужд посущественней.

В кубике воздуха у поверхности Земли примерно 30 000 000 000 000 000000 молекул вещества. Как справиться с таким баснословным множеством безликих частиц при изучении свойств земной атмосферы? Следить за поведением каждой частицы? Узнавать ее положение в пространстве, энергию движения, траекторию полета? Расследовать все цепи столкновений частиц между собой? Бесплодность такой затеи очевидна. И, разумеется, никому никогда не приходило в голову предпринимать подобного рода расследования. Уже в середине прошлого века физики поняли, что можно изучать свойства громадных скоплений частиц вещества, не вдаваясь в подробности механического поведения каждой частицы в отдельности. Температура, давление, плотность, вязкость, электропроводность… Все это свойства коллективов частиц, и для изучения этих свойств понадобились статистические закономерности.

Столбик окрашенного спирта поднимается по капилляру из тонкостенного шарика холодного термометра. Спирт разогревается и потому расширяется под ударами несметных полчищ молекул более теплого воздуха. В этой безмолвной битве термометра с атмосферой каждая молекула сыгрывает свою роль. Даже те, что не долетают до шарика, принимают участие в битве: они сталкиваются с другими молекулами, они вносят свою лепту в ту хаотическую мешанину движений, в которую погружается шарик термометра. Но термометру нет дела до роли каждой частицы в отдельности. Он работает как своеобразное статистическое бюро, выводящее среднее значение энергии движения атмосферных частиц.

Какова сейчас энергия вон той, помеченной нами молекулы? Она может оказаться гораздо выше средней энергий, зарегистрированной термометром, или, наоборот, гораздо ниже. Это дело случая. Вероятней всего, энергия ее будет не очень отличаться от средней. Менее вероятно, что она будет громадной или, напротив, — совсем ничтожной.

Ученые увидели эти разные вероятности. Научились оперировать ими. Они создали статистическую физику, которая объяснила множество явлений природы, долго остававшихся непонятными.

Но случай в классической физике был совсем иного рода, чем случай в физике квантовой. Он был того же толка, что случайность падения кирпича, на голову прохожего. Ученые говорили: «Энергия отдельной частицы газа может по воле случая иметь любую величину», но в то же время были совершенно уверены, что у каждой молекулы есть своя механическая предыстория, и скорость молекулы в момент наблюдения только итог всех столкновений с другими молекулами, встречавшимися на ее «жизненном пути». Узнать бы эту Предысторию, и от случая ничего не осталось бы.

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун, рассматривая под микроскопом тонкую цветочную пыльцу, заметил беспорядочное движение пылинок, взвешенных в жидкости. Названное «броуновским движением», это несложное явление возбудило острое любопытство многих ученых. Вместо цветочной пыльцы брали другие пылинки вещества, вместо воды — Другие жидкости. Беспорядочное движение наблюдалось всегда. Сегодня трудно поверить, что оно долго казалось необъяснимым. Исследователи строили всевозможные предположения: одни говорили, что это результат сотрясений жидкости, другие видели в этом влияние тепловых воздушных течений, третьи находили причину в химических реакциях, четвертые объясняли происходящее сильным освещением пыльцы под микроскопом… Но все это было несерьезно и не выдерживало проверки опытом.

Броуновское движение объяснила статистическая физика. И объяснила крайне просто. Маленькие частички вещества, попадая в жидкость, оказываются в положении шарика со спиртом, когда термометр опускают в газ: молекулы жидкости вступают в безмолвную битву с этими частичками, они толкают их во все стороны, нанося удар за ударом. Когда пылинка велика, случай статистически уравновешивает удары с разных сторон, и наблюдать броуновское движение, скажем, вишневой косточки в стакане воды не удается. Косточка покоится на дне в равновесии. Но когда посторонняя частичка мала, тогда каждый лишний удар с какой-нибудь одной стороны может оказаться существенным. Равновесие нарушается, и такая мелочь, как пылинка пыльцы, начинает сновать в воде, описывая причудливый путь.

Он, этот путь, выглядит капризно-случайным. И на первый взгляд — абсолютно беспричинным. Когда видишь броуновское движение впервые, появляется странное беспокойное чувство: кажется, что медленно снующие пылинки вещества находятся во власти полного произвола — таинственного беспорядочного случая. И становится понятным, почему это явление поражало воображение ученых прошлого века.

Надо было заглянуть в глубь явления, надо было под покровом видимой случайности открыть внутренний механизм более тонкого — атомно-молекулярного — движения материи, чтобы беспричинное зрелище объяснилось строго причинно. Количественная теория броуновского движения была дана только в начале нашего столетия. Ее разработали выдающийся польский теоретик Марианн Смолуховский и все тот же великий Эйнштейн.

Теперь надежды де Бройля делаются понятны сами собой.

Не есть ли господство случая в микромире тоже только обманчивое зрелище, подобное тому, какое открылось под микроскопом шотландскому ботанику ровно за сто лет до открытия принципа неопределенности? Не лежит ли в недрах микромира под квантовомеханическим уровнем движения элементарных частиц более глубокий и более тонкий уровень бытия материи? И не происходят ли там, в этой еще неизведанной глубине, однозначно-причинные события, которые и определяют собой вероятностные законы микромира? Ах, если б удалось, хотя бы с помощью самых общих предположений, спуститься до этого субквантовомеханического уровня! Тогда, по мысли де Бройля и Давида Бома, физики снова увидели бы, как механизм случая заводится старой испытанной классической причинностью. (Совсем как в броуновском движении. Совсем как в часах без заводной головки, но со скрытым под крышкой балансиром.)

Таковы надежды. Суждено ли им сбыться? Или, может быть, с возрождением этих надежд действительно начался третий акт дебройлевской драмы?

Годы идут, а теоретические искания де Бройля, Бома, Вижье и других успеха не приносят. Подавляющее большинство — теоретиков и у нас, и на Западе, и на Востоке полагает, что эти искания заранее обречены на неудачу. С полной и решительной определенностью вслух сказал об этом в 1958 году академик Фок, Но есть, конечно, среди наших физиков и сторонники этого возвратного движения к классике, Однако, по-видимому, их ждет разочарование.

Отчего же?

Неужели оттого, что никакого субквантовомеханического уровня бытия материи не существует? Нет, он существует несомненно. Он не может не существовать, хотя пока в распоряжении экспериментаторов нет никаких лабораторных сведений о нем. Он не может не существовать по одному тому, что в мире элементарных частиц уже прощупываются явления, перед которыми становится в тупик квантовая физика. Уже возникла нужда в более общей и более глубокой теории, которая объяснила бы, почему существуют именно такие элементарные частицы материи, с какими мы сегодня имеем дело, а не другие. Эта новая, рождающаяся в наши дни «элементарная механика» обнимет механику квантовую, как свой частный случай. Процесс познания не имеет конца. Кто же рискнет усомниться в этом?

Так почему бы новой, более общей теории микромира не оказаться своеобразно-классической, основанной на однозначной причинности событий?

Вся история науки протестует против такого предположения. Да и невозможно поверить в такую перспективу.

Допустите на минуту, что физики уже проникли в субквантовомеханический мир. Допустите далее, что они распознали какие-то новые, прежде неведомые, материальные сущности, там обитающие. Однако не спешите называть эти новые сущности сверхкрошечными частичками, чем-то вроде микроэлектронов или субфотонов. Если они и обнаружатся, сходство с известным окажется у них наверняка минимальным. Будет ли им свойственна масса покоя или нет, гадать не стоит. Но, вероятно, они будут находиться примерно в таком же отношении к электрону, как электрон к дробинке; у дробинки из-за ее массивности призрачна волнообразность, а у этих новых сущностей из-за их мизерности будет призрачна корпускулярность. Так можно ли ожидать, что они станут подчиняться таким же законам движения, какие властвуют над дробинкой? Если этим законам отказался подчиняться электрон, то уж новые-то гипотетические сущности и вовсе выйдут из повиновения классике!

А может быть, и даже вернее всего, субквантовомеханический уровень бытия материи откроется физикам вовсе не в существовании каких-то еще неведомых ультраэлементарных образований, но совсем на иной лад; в необычайных чертах пока еще не расследованного механизма удивительных взаимодействий элементарных частиц. Может быть, тогда-то и раскроется «механизм» их поразительной цельности!

Может быть, может быть! Но с полной уверенностью следует ожидать лишь одного: нового разрыва с прежним — я уже не только с классической механикой, но и с механикой квантовой. Можно ожидать лишь углубления революции в наших физических представлениях.

Выразительный ответ на вопрос о будущей теории дал совсем недавно — в марте 1962 года — директор дубенского Объединенного института ядерных исследований профессор Д. И. Блохинцев. Вспомнив, как де Бройль ввел в атомную физику представление о частицах-волнах, он сказал любопытствующему журналисту: «Может быть, надо найти только какие-то три-четыре новых образа, слова, которые повернули бы всю теорию на другой путь, сформировали бы новые понятия… Какое слово надо «выдумать», каким воспользоваться образом? Здесь существует много мнений… Одно несомненно: новая теория будет создана, и она будет такой же крупной революцией мысли, какими были в свое время теория относительности и родившаяся на двадцать лет позже квантовая механика. Произойдет: не менее глубокое революционное изменение наших представлений».

Разве можно не согласиться с этим?

В ультрамикромире физиков будут ждать не старые радости, а новые неслыханные удивления, новые великие огорчения, из которых вырастет радость нового знания.

…Вот везут в коляске ребенка. Он еще пускает в бессмысленном сне неведения радужные пузыри. Но, может быть, он будет одним из тех «самых счастливых», по словам Лагранжа, которым удается создать новую «систему мира». Может быть, его физические идеи будут поражать современников и потомков еще небывалой новизной и уже бывалой смелостью. Теория относительности и квантовая механика покажутся его коллегам старой бесспорной классикой науки по сравнению с теми тонкими тонкостями, которые откроет он, этот мальчик, в картине движущейся материи. Но все равно, и в его великой жизни будут годы, когда ему придется испытать те же муки мысли, какие испытываем сегодня мы, знакомясь с идеями теории относительности и механики микромира.

Пока он еще спит в коляске, в него входит через тысячи пор механика Ньютона. Он земное существо; он волею законов природы принадлежит к макро-, а не микроучастку на бесконечной шкале физического опыта вселенной; он обитатель мира медленных и тяжелых вещей. Как и в нас, в нем кет ничего «неземного», кроме мысли и воображения, которые всегда стремятся быть причастными ко всем делам природы, когда пробуждаются к деятельной жизни. И вот едва настанет для него эта пора, как он должен будет повести внутреннюю борьбу с ограниченностью своих естественных классических представлений. Он должен будет победить их для того, чтобы его творческий разум обрел свои желанные права на постижение любых новых странностей природы.

Что делать, каждый вынужден в своем развитии проходить по кратчайшему маршруту весь принципиальный путь познания мира, какой прошло до него человечество. В нашем веке физика одержала победу над ограниченностью земного физического опыта. И чтобы выбраться на ее сегодняшние рубежи, каждый должен одержать такую же победу в самом себе. Она достижима!

Для того и писал я свои «путевые заметки», чтобы сказать это.