Ученые, используя электронные доспехи, «смело штурмуют» великие уравнения и связанные с ними теории.

Не грозят ли новые открытия электродинамике Максвелла? Не исчезнут ли вскоре со страниц учебников и научных трудов максвелловы уравнения?

 

Впущение червя во яблоко

Эйнштейн сказал у его гроба: «Жизнь Лоренца — драгоценное произведение искусства».

Лоренц был невысок ростом, исключительно доброжелателен, улыбчив и корректен. Его взгляд был живым и проницательным, память — исключительной. Умственное превосходство его чувствовалось всеми и сразу. Так было всегда, чуть не со школьных лет.

Хендрик Антон Лоренц — голландец, один из не слишком большого числа великих, прославивших небольшую страну. Он — сверстник своих знаменитых земляков — Винцента Ван-Гога и Гейке Камерлинг-Оннеса. Все они родились в 1853 году. Хендрик учился в средней школе — учреждении, в то время в Голландии мало распространенном и не слишком популярном. В классе училось всего трое — один стал администратором на Яве, другой — профессором в Гронингеме, третий — Лоренцем.

Это случилось не сразу. Чтобы поступить в Лейденский университет, нужно было быстро изучить и сдать древние языки. Память и способности позволили Лоренцу сделать это всего за 8 месяцев, притом настолько основательно, что стареющий Лоренц сможет через много лет посвящать часы своего тихого досуга сочинению латинских стихов.

8 месяцев — два языка, причем изученных блестяще.

Но и это — не слишком эффектно, если учесть, что весь университетский курс фактически был пройден Лоренцем за год. Через год после поступления он уже защищает с отличием кандидатскую диссертацию.

Но он остался в университете еще на год. Не последнюю роль сыграли в этом решении нераспечатанные бандероли, долго пылившиеся в библиотеке физической лаборатории. А нераспечатанными лежали они потому, что распечатавшему одну из них уже никогда не пришло бы в голову приниматься за следующую.

Бандероли приходили из Кембриджа, были насыщены сложной математикой, «как гадюки — ядом», и вообще были непонятны. Более того, содержимое бандеролей шло вразрез со всем тем, что так тщательно пестовалось в университете, — с классическими электродинамическими теориями.

Бандеролями из Кембриджа доставлялись в Лейден работы Джеймса Клерка Максвелла, посвященные его новой теории. Лоренц был первым голландцем, оказавшимся способным понять и оценить ее. Ему было тогда 20 лет.

22 лет он — доктор наук. Разумеется, «доктор с отличием».

Двадцатидвухлетнего Лоренца буквально рвут на части. Одно за другим следуют соблазнительнейшие предложения от университетов разных городов и стран.

Лоренц предпочитает Лейден, и в нем — кафедру теоретической физики. Лейден — светел и спокоен, он прекрасно соответствует неторопливому, замкнутому и возвышенному стилю жизни Лоренца. Здесь он женится на кузине своего друга и покупает старинный тихий и красивый дом. Он любит семейную жизнь, тишину, уединение.

Он живет здесь десятки лет размеренной и спокойной жизнью метра. Лишь незадолго до смерти он переехал в Харлем, где получил пост, примерно эквивалентный посту президента Академии наук у нас — пост попечителя музея Тейлера.

Он умер 4 февраля 1928 года после короткой болезни, окруженный любовью и вниманием.

Через всю жизнь Лоренц пронес одну пламенную страсть. Страсть, рожденную в библиотечной тишине.

Эйнштейн о Лоренце:

«Его доброта и величие души в сочетании с абсолютной безупречностью и глубоким чувством справедливости, а также верной интуицией в отношении людей и вещей превращали его в руководителя во всех областях, где протекала его деятельность. За ним следовали с радостью, потому что Лоренц никогда не стремился господствовать, но всегда — служить»

Страсть к уравнениям и теории Максвелла. Он болезненно воспринимал все ее неудачи. Буквально лез из кожи вон, чтобы примирить противоречия. Иногда теория Максвелла давала предсказания, не совпадающие с экспериментом. Иногда оказывалась недостаточно конкретной для расчетов.

Особые нарекания, и довольно справедливые, вызывали константы среды, введенные Максвеллом и определяющие прохождение в ней электромагнитных процессов.

Эти константы, например диэлектрическая и магнитная проницаемости, должны находиться из опыта. Вопрос о физическом смысле и происхождении этих констант Максвелл старался обходить. Предсказать изменение констант в зависимости от температуры, плотности, химического строения или кристаллической структуры вещества на основании уравнений Максвелла было невозможно.

Поэтому при любом изменении состояния вещества его константы нужно было бы заново находить из эксперимента.

Лоренц прекрасно понимал, что такая ограниченность теории Максвелла — крупный недостаток. Недостаток, произрастающий из достоинств. По своему существу теория Максвелла — теория электромагнитная. Мир, описываемый теорией, — мир бесконечно разнообразных, налагающих, интерферирующих, видимых и невидимых, ощущаемых и неощущаемых непрерывных волн. В этом была сила теории. И ее слабость.

Когда-то неминуемо должен был встать вопрос о причинах. Что, например, является причиной электрического поля? Максвелл отвечал — заряд. Отвечал с некоторой неприязнью. Введение дискретного заряда, «молекулы электричества» было подобно введению ложки дегтя в бочку меда, впущению червя во яблоко. «Молекула электричества» была нелепой дискретной надстройкой к прекрасному легкому дворцу непрерывных электромагнитных волн. Максвелл, словно предчувствуя грядущие непреодолимые трудности, уклонялся от навечного введения «молекулы электричества» в свою теорию. Он считал это делом сугубо временным:

«Крайне неправдоподобно, что в будущем, когда мы придем к пониманию истинной природы электролиза, мы сохраним в какой-либо форме теорию молекулярных зарядов, ибо мы уже будем иметь надежную основу для построения истинной теории электрических токов и станем таким образом независимы от этих преходящих гипотез».

Однако вопрос о природе констант, характеризующих среду, оставался. Чтобы объяснить влияние на них внешних факторов, нужно было дать какое-то объяснение природе констант. Лоренц писал:

«…Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма в основе всех этих явлений.

Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частичках, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах».

Здесь надо оговориться, что электрон в то время, когда Лоренц решил ввести его в теорию Максвелла, известен не был. Но он, в известном смысле, постоянно возникал «на кончике пера».

Началось это еще у Фарадея. Законы электролиза.

Число Фарадея. Атомную теорию Фарадей, в общем, не жаловал. Но, поскольку был необычайно добросовестен, четко фиксировал и факты, не вписывающиеся в его теорию.

Было ясно, что каждый атом вещества, оседающий на электроде, несет с собой строго определенное количество электричества. Электричество раздавалось порциями.

Каждый одновалентный ион получал от природы одну порцию. Двухвалентный — две. Заряд явно имел, как и вещество, атомную, дискретную структуру.

Максвелл предложил назвать заряд одновалентного иона «молекулой электричества». Предложил, скрепя сердце. Думал, временно. Очень не хотел разрушать свое прекрасное творение, состоящее из непрерывных волн.

Воздвигнутое вопреки противникам: Веберу, Нейману, Гельмгольцу, да мало ли их было.

Кстати, Гельмгольц в знаменитой Фарадеевской речи вслед за Джонстоном Стонеем вернулся к «атому электричества». (Стоней называл его электроном.) Дал расчет.

Оказалось, наименьшим количеством электричества обладает положительный ион водорода. Меньше заряда не бывает. Больше — бывает. Но любой заряд дискретен, состоит из порций. Каждая порция — заряд водородного иона.

Вещество в целом должно быть нейтрально. Поэтому Лоренц должен ввести электроны отрицательные и электроны положительные.

Все тела состоят из атомов.

Атомы — из электронов, положительных и отрицательных.

Электроны — единичные заряды. Двигаясь, они образуют электрический ток (ток — движение зарядов). Двигаясь, они создают магнитное поле (ток окружен магнитным полем). Тормозясь, они излучают электромагнитные волны. Ускоряясь, поглощают их. Волны распространяются со скоростью света. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила — лоренцева сила.

Непрерывное тело разбилось на атомы, атомы — на положительные и отрицательные электроны.

Атомы плавают в эфире.

Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд, как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам. Например, электронам.

Или — планетам.

Максвелл признавал эфир. Эфир — странная среда, старая, как мир. Но свойства ее в представлениях людей непостоянны. Последний раз они утвердились в оптике.

Новый эфир «изобрел» Френель. Разжалованный в результате наполеоновской «чистки» 1815 года инженер сидел без работы. Занимался физикой. Звук и свет — похожи или нет? Если предположить, что свет— не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны.

Звуковые волны продольны. Световые — поперечны, это колебания твердой несжимаемой среды, похожей по свойствам на металл.

Эта среда — эфир. Эфир оптический.

Эфир объяснял все или почти все. Никакой дискретности, никаких ньютоновских корпускул. Одна непрерывность.

Непрерывные волны.

Континуум.

Но оптика, по Максвеллу, — частный случай электромагнетизма. Вся оптика приводится к уравнениям Максвелла.

Эфир был необходим Максвеллу. Но этот эфир был незаметен. Мимо него нельзя было двигаться. Эфир Максвелла двигался вместе с телами. Он мог увлекаться движущимися телами.

И это, казалось, прекрасно доказывали опыты француза Ипполита Физо. Движущиеся струи воды увлекали за собой свет.

Лоренц ввел в теорию Максвелла электрон. Он пустил его в максвеллов эфир, предварительно закрепив эфир на месте. Эфир стал недвижимым, но в нем двигались электроны. Поперечные колебания эфира по-прежнему были и светом, и другими электромагнитными волнами.

Свойства среды свелись, таким образом, к свойствам электронов и эфира вместе, стали некоторой статистически усредненной в некотором объеме величиной. Если раньше диэлектрическая и магнитная проницаемости среды были исходными величинами, то теперь они стали производными. Проводимость — тоже не исходное свойство среды, — она тоже может быть получена усреднением.

Получился бульон, вкус которого зависел от усреднения свойств частичек мяса и воды.

Раньше мир представлял собой безбрежный океан электромагнитных волн. Теперь все многообразие мира свелось к взаимодействию полей и электронов. Это было интереснейшее достижение теоретической физики — продвижение вперед при отступлении назад. «В предлагаемой мной гипотезе, — писал Лоренц, — есть в некотором смысле возврат к старой теории электричества Вебера и Гельмгольца…» Напомним, что основным в «старых теориях» приверженцев дальнодействия было взаимодействие зарядов, восходящее к закону Кулона. Великая спираль развития сделала еще один виток и вернулась к зарядам, но уже взаимодействующим с полем и через поле. Появилась возможность вывести множество полезных формул.

Например, формулы связи показателя преломления среды с ее плотностью (формула Лоренца — Лоренца; Лоренц-второй — датский однофамилец Лоренца, одновременно с ним открывший этот закон).

Появилась возможность многое объяснить. Например, зависимость электропроводности вещества от его теплопроводности, эффект Холла. Появилась возможность предсказать новые явления.

Из электронной теории Лоренца следовало, что спектральные линии вещества, помещенного в магнитное поле, должны раздваиваться. Некоторое время подтвердить явление не удавалось. Не удавалось до тех пор, пока в 1896 году у друга и коллеги Лоренца по Лейденскому университету — у Гейке Камерлинг-Оннеса — не случились неприятности с пожарной инспекцией.

Кто-то донес в магистрат, что в низкотемпературной лаборатории Оннеса, где ожижались газы, скопилось много водорода, и здание вот-вот взлетит в воздух. Лабораторию пришлось закрыть, а сотрудников усадить за другие дела. Один из них, Питер Зееман, пользуясь случаем, стал внимательно исследовать спектры веществ, излучающих в сильных магнитных полях.

Когда благодаря большому дипломатическому таланту Гейке Камерлинг-Оннеса лаборатория была вновь открыта, Зееман уже доказал, что спектральные линии раздваиваются; явление было названо «эффектом Зеемана». За открытие его Зееману и Лоренцу была присуждена Нобелевская премия.

Открытие Зеемана было для электронной теории тем же, чем были для теории Максвелла опыты Герца и Лебедева.

Зееман подтвердил правильность электронной теории открытием явления, этой теорией предсказанного. Так Герц открыл несколько лет назад явление, предсказанное Максвеллом.

Электронная теория Лоренца получила право на жизнь.

Жизнь теории была славной и тяжелой. Славной потому, что с ее помощью были сделаны великие открытия.

Тяжелой потому, что она в любой момент могла быть отвергнута. Червь, впущенный во яблоко, грозил сделать его полностью несъедобным. Особенно ясным это стало после двух событий.

Одно произошло в Кембридже, другое — за океаном.

Первое событие — появление резерфордовской модели атома. Оно было неожиданным. Резерфорд писал:

«Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеяние могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен — за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы сосредоточена в ничтожно малом ядре».

Вместо «пудинга с изюмом» — модели атома Дж. Дж. Томпсона, где электроны изюминами были вкраплены в громадное ядро, — появился атом Резерфорда, маленькая планетная система с очень маленьким ядром и вращающимися вокруг него на чудовищных (в атомном масштабе) расстояниях электронами.

Модель понравилась всем. Но Лоренцу она понравиться не могла. Ведь с появлением этой модели атома любимое детище Лоренца — его электронная теория — должна была неминуемо погибнуть.

Электрон, вращающийся вокруг ядра, излучает электромагнитные волны. Теряет энергию. Меньше осталось энергии — меньше радиус орбиты. Излучение продолжается. Энергии еще меньше. Радиус все уменьшается.

Электрон падает на ядро.

Модель атома Резерфорда невозможна!

Если права электронная теория, невозможна.

Но модель атома Резерфорда существовала, и каждый новый день приносил новые подтверждения этому. И новую горечь сердцу Лоренца.

Драму разделяли многие. С одной стороны, электронная теория существует и хорошо соответствует почти всем наблюдаемым фактам. С другой стороны, существует невозможный по электронной теории атом Резерфорда.

Как примирить электронную теорию с атомом Резерфорда?

Свела концы с концами модель атома Бора. Бору было 25 лет. Он был неизвестен, ничем ранее не прославлен.

Но он был учеником Резерфорда. Решение его было лобовое. Раз атом Резерфорда существует, значит, электроны, кружась вокруг ядра, энергии не излучают! Но это происходит не на любой орбите. Есть орбиты привилегированные — на них излучения нет. Переходя с более высокой орбиты на более низкую, электрон в соответствии с теорией Лоренца излучает энергию. Причем количество энергии не случайно. Оно может изменяться только скачками, квантами. Это, впрочем, уже не удивляло. Если заряд может изменяться лишь порциями, почему не может меняться порциями и энергия?

Модель атома Бора сразу же укрепилась — исследования показали, что радиусы орбит в атомах строго совпадают с предсказаниями на основе боровских представлений.

Но модель атома Бора была, конечно, монстром — над стройным телом классически прекрасной электронной теории высилась абстрактная голова квантовых скачков.

Этот монстр существует до сих пор, хотя всем ясно, что его должно сменить нечто более гармоничное. Ведь, сказав «квант», «устойчивая орбита», мы не приблизились к решению проблемы.

А почему квант?

А почему устойчивая орбита?

Почему нельзя в соответствии с новыми теориями узнать, где находится электрон, если известна его скорость, и наоборот?

Каковы размеры электрона? Подсчитано, что он во всяком случае в миллион раз меньше атома. Может быть, он — точка, вовсе не имеет размеров? Определенно ист. Тогда его энергия была бы бесконечно большой, что абсурдно.

Все это угнетало Лоренца. Его угнетала необходимость говорить студентам на одной лекции, что электроны, вращаясь, излучают энергию, а на другой — что электрон, вращающийся вокруг ядра по особой орбите, ничего такого не делает.

«Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?»

* * *

Жолио-Кюри как-то заметил: «Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии». Это полностью относится к эксперименту Майкельсона, не подтвердившему взглядов Лоренца, но явившемуся толчком к созданию теории относительности. За свой эксперимент Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике.

* * *

Его последние годы были отравлены противоречиями, которые, как ему казалось, были неразрешимы. Беседуя с известным советским физиком А. Ф. Иоффе, он мрачно сказал:

«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».

К тому же — злополучный ветер. Эфирный ветер.

У Лоренца эфир был неподвижен. Когда тело двигалось, на его поверхности должен был ощущаться эфирный ветер. Например, на поверхности Земли этот ветер должен быть просто ураганной силы — известно, что Земля путешествует в мировом пространстве с громадной скоростью!

А если так, то электронную теорию Лоренца можно проверить экспериментально.

Это сделал в 1880 году двадцативосьмилетний преподаватель военной академии в Аннаполисе (США) черноволосый красавец Альберт Майкельсон. Он изобрел простой прибор — интерферометр, с помощью которого на базе тонких оптических явлений можно было очень точно измерить скорость света. Майкельсон решил проверить на своем десятидолларовом приборе правильность идеи о неподвижном эфире.

Он послал один луч света в направлении движения Земли, другой — под прямым углом к нему. Пробежав равное расстояние, лучи должны были вернуться. Если бы движения Земли в эфире не существовало, лучи должны были бы прийти обратно в одно и то же время.

Если же луч, посланный в направлении движения Земли, придет позже, то гипотеза неподвижного эфира верна.

Результат, опубликованный в 1881 году, был отрицателен: никакой разницы между скоростью лучей обнаружено не было. Это был, как выразился Джон Бернал, «величайший из всех отрицательных результатов в истории физики».

Лоренц сразу же усмотрел в эксперименте Майкельсона бомбу с тикающим часовым механизмом, способную в любой момент разнести на атомы ставшую классической электронную теорию. Другие физики тоже скоро это поняли и всеми силами старались совместить отрицательный результат эксперимента с «эфирным ветром».

Сразу же родилась гипотеза «частичного увлечения» эфира. Если эфир увлекается Землей, тащится за ней «эфирным хвостом», то, естественно, на поверхности Земли относительное перемещение ее и эфира заметить невозможно. Такие же «эфирные хвостики» приличествующего размера волочатся за любым телом.

К сожалению, гипотеза обладала существенными недостатками. Во-первых, эфир, так сказать, «разжижался» — нечто твердое, как сталь, превращалось в нечто, подобное студню. Сразу же возникали трудности в объяснении природы электромагнитных волн. Кроме того, в качестве заплат нужно было бы придумывать новые теории, объясняющие, как происходят явления в эфире неподвижном, увлеченном и частично увлеченном.

Эта теория явно уводила в сторону. А другая теория была совершенно безумной. Ее придерживался английский физик Фитцджеральд. Он был уверен, что эфир неподвижен, а тела двигаются сквозь него. Однако заметить движение невозможно — всякое тело, перемещающееся по эфиру, сжимается, сокращает свои размеры в направлении движения, причем тем больше, чем с большей скоростью оно перемещается. Сокращаются в размерах метры, линейки, эталоны. Каждый «бывший» сантиметр становится немного короче. Претерпевала деформацию и шкала прибора Майкельсона. Поэтому-то с его помощью и не удалось заметить движения относительно эфира.

Лоренц заинтересовался теорией — она давала возможность сохранить дорогие его сердцу уравнения Максвелла и электронную теорию. Лоренц облек идеи Фитцджеральда в изящные математические формы. И оказалось, что не только размеры должны изменяться в движущейся относительно эфира системе, но и само время! (Вот куда корнями восходит знаменитый «парадокс близнецов», заполняющий сейчас популярные книги по теории относительности, — один из братьев, отправившийся путешествовать чуть не со световой скоростью, быстро вернувшись, застает брата дряхлым стариком!)

Лоренц был классиком. Он не мог отрешиться от всего классического опыта, чтобы сделать еще один шаг и изобрести теорию относительности, покоящуюся на только что упомянутых «преобразованиях Лоренца».

Он не мог представить себе, что все «эфирные загадки», которым он посвятил столько времени, можно было вовсе не решать. Дело в том, что лучшим способом избавиться от них был «способ колумбова яйца» — нужно было совсем отказаться от эфира.

Это смог сделать лишь Эйнштейн. Но здесь начинается уже отдельная громадная тема, выходящая за рамки книги.

Из противоречий электронной теории Лоренца родилась теория относительности Эйнштейна. Перестройка в знаниях произошла очень быстро — со времени открытия электромагнитных волн прошло всего 20 лет.

Трудно перечесть те грандиозные последствия, которые имело введение в физический обиход электронной теории Лоренца.

Мы уже сказали о том, что несоответствие ее с экспериментом Майкельсона привело к созданию теории относительности.

Несоответствие ее с «атомом Резерфорда» привело к «атому Бора», к введению в атомную теорию квантов.

Противоречие червя с яблоком, электрона и электромагнитной теории привело к попытке создать «электромагнитный мир», в котором электроны тоже были заменены электромагнитными волнами. Затем оказалось, что мир свести к одному лишь электромагнитному полю невозможно — в мире оказались и другие волны, не сводимые к электромагнитным: гравитационные, волновое поле электрона и т. п. Попытка создать «единую теорию поля», в которой все эти поля были бы объединены, не увенчалась успехом даже у Эйнштейна, работавшего над проблемой более 30 лет. Тем не менее «электромагнитный мир» был полезен. Он привел Дж. Дж. Томпсона, а затем и Эйнштейна к представлению о том, что прибавление телу энергии эквивалентного некоторому увеличению его массы, — к «электромагнитной массе электрона» (вот откуда взялось знаменитое Е = mс 2 !).

Мы уже не говорим о том, что с помощью электронной теории были проведены сотни тысяч правильных расчетов, сделано и объяснено не одно открытие.

Что ж, электронная теория хорошо послужила.

Впрочем, почему — послужила?

Электронная теория используется до сих пор.

Так же как и уравнения Максвелла. Никакие, даже самые великие открытия не способны поколебать теорий, если они правильно отражают процессы, происходящие в мире.

По крайней мере новая теория включает старые правильные теории как крайние или частные случаи.

Так случилось с электронной теорией и уравнениями Максвелла.

Бурное развитие квантовой физики в начале нашего века натолкнуло на мысль, что максвелловы уравнения не применимы в микромире.

Простая и естественная картина непрерывного изменения электромагнитных полей, описываемая уравнениями Максвелла, здесь не может считаться полной. Ведь энергия в соответствии с гипотезой Планка должна в микромире меняться не непрерывно, а квантами, порциями!

Поэтому в 20—30-х годах нашего века был неизбежен переход максвелловой и лоренцевой теорий в новые, квантовые формы. Дирак в 1927 году, а затем Гейзенберг и Паули в 1929-м опубликовали статьи с описанием квантовой теории электромагнитного поля, где нет места непрерывности, где все величины меняются скачками и которая в случае больших объектов и расстояний переходит в старую теорию Максвелла.

Новая теория смогла объяснить ряд тонких эффектов, происходящих в микромире.

Но она внесла и много новых трудностей. Теперь оказалось, что невозможно точно измерить электромагнитное поле в точно указанной точке пространства!

Осталось в квантовой теории и прежнее противоречие лоренцевой электронной теории: энергия точечного электрона осталась бесконечной! Хитроумные способы избежать этого в рамках квантовой электродинамики привели к другому абсурду — к частице, обладающей бесконечной отрицательной массой!

Это — одна из грозовых туч над квантовой теорией электромагнитного поля. Здесь уже не «два облачка на чистом небе законченной теоретической физики», о которых говорил когда-то Дж. Дж. Томпсон. Следует учесть, что Томпсон имел в виду здесь нижеследующие «атмосферные явления»: неясность, почему электрон не падает на ядро, и странный, как тогда казалось, результат опыта Майкельсона. Мы уже знаем, какой благодатный ливень открытий и идей принесли эти «два облачка». Чем разразится грозовая туча, нависшая сейчас над квантовой теорией электромагнитного поля, пока сказать трудно. Но факт остается фактом — именно в противоречиях квантовой теории — ключ к новым открытиям в физике.

Квантовая теория электромагнитного поля неминуемо должна уступить место другой, более полной и непротиворечивой теории.

Из сказанного может показаться, что квантовая электродинамика заменила электронную теорию так же, как электронная теория заменила теорию Максвелла.

Ничто не может быть ошибочнее этого вывода. Жизнь и смерть теорий меньше всего напоминают печальную ситуацию в нашем мире, где отец дарит жизнь сыну, а сам через некоторое время исчезает из жизни, то же повторяется с сыном и внуком, и так вечно. Развитие физических идей здесь нисколько не напоминает прекрасный, но несколько жестокий процесс. Больше напоминает оно процесс деления клеток, где клетка, давшая жизнь другой, сама остается жить.

Нильс Бор писал: «…язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена».

 

Новые открытия, новые трудности

Ни квантовые снаряды Планка, ни буря относительности Эйнштейна не смогли сокрушить бастионы максвелловых уравнений. До сегодняшнего дня ученый, прикидывающий прохождение радиосигнала к Венере или решающий задачу «передвижения на одноколесном велосипеде по канату» — задачу удержания плазмы в «магнитной бутылке», — все они пользуются в своей работе старыми, заслуженными уравнениями Максвелла.

Но сомнения остались. Они нарастают буквально с каждым днем. Это уже не «легкие облачка», омрачавшие чистое небо физики начала века. На горизонте явно собираются свинцовые тяжелые тучи.

Собирающаяся гроза обязана своим происхождением самой, казалось бы, невинной причине — поискам красоты, полного совершенства. Недаром один великий физик не уставал говорить, что всякая физическая теория должна быть математически элегантна.

Сегодня элегантнейшая теория Максвелла уже кажется некоторым исследователям элегантной в недостаточной степени.

И дело здесь прежде всего в том, что уравнения Максвелла, как говорят математики и физики, несимметричны.

Действительно, посмотрим еще раз на уравнения Максвелла, вернее, на два из них:

Смысл каждого из них таков: если мы возьмем ограниченную область пространства, то число электрических силовых линий (определяющее электрическое поле, D -> ), вышедших из этой области, зависит от электрического заряда ρ, располагающегося внутри нее. Чем больше заряд, тем больше D -> .

Если повести рассуждение в отношении магнитных силовых линий, то окажется, как следует из второго уравнения, что общее количество магнитных силовых линий, выходящих из произвольной области пространства, всегда равно нулю! Другими словами, сколько магнитных силовых линий в данный объем вошло, столько оттуда и вышло.

Запишем следствия вышеприведенных уравнений следующим образом.

Электрические силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.

Магнитные силовые линии нигде не начинаются и не кончаются.

Такая несимметрия, несправедливость, если хотите, может легко поранить чью-нибудь чувствительную душу.

Кроме того, если вникнуть глубже в смысл уравнений Максвелла, получится, что электричество вполне может обойтись без магнетизма, а магнетизм без электричества — нет!

Фактически уравнения Максвелла полностью сводят магнетизм к электричеству. После того как Ампер продемонстрировал две спирали с током, «притягивающиеся как магниты», магнетизм как таковой, казалось, перестал существовать.

Две великие силы природы оказались одной — электричеством. Вся тысячелетняя история этих двух явлений, казалось, восставала против такой несправедливости.

Именно отсутствие магнетизма как самостоятельного явления и утверждается уравнениями Максвелла. Магнетизма нет, есть одно электричество.

Электричество имеет источник — электрический заряд. Магнетизм имеет источником лишь электричество.

Это смущает.

Это наводит на крамольные мысли.

К тому же — явная математическая несимметрия уравнений, которые, как говорил Герц, живут самостоятельной жизнью и иногда кажутся даже умнее человека, создавшего их.

Но классическая теория электромагнетизма не содержит ничего, что оправдывало бы, по существу, такое «неравенство» электричества и магнетизма.

В 1931 году кембриджский профессор Поль Адриен Морис Дирак, знаменитый физик-теорегик, много сил отдавший созданию квантовой электродинамики, увлекся такой задачей: не содержит ли квантовая теория нечто оправдывающее преимущество электричества перед магнетизмом?

Такого преимущества не оказалось. Как классическая, так и квантовая электродинамика «не возражала» против введения в уравнения, для того чтобы сделать их полностью симметричными, «магнитных зарядов», еще не известных науке.

Такие магнитные заряды, или, как их назвал Дирак, «монополи», должны были быть полным магнитным эквивалентом зарядов электрических.

Они могли быть отделены друг от друга, другими словами, могли бы порознь существовать «северные» и «южные» магнитные заряды. Эта «безумная» идея странным образом воскрешала воззрения XIII века, опровергнутые Гильбертом, доказавшим, что нельзя получить в магните отдельно Северный и Южный полюсы.

Как магнитные явления возникают при движении электрических зарядов, так и электрические явления могли бы стать следствием движения зарядов магнитных.

Как и электроны, монополи могли бы испускать и поглощать электромагнитное излучение, например свет.

И наоборот, если очень энергичные фотоны могут создавать пару — отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон (кстати говоря, тоже предсказанный Дираком и вскоре обнаруженный), они же могут рождать и пару — северный и южный монополи.

Как мы упомянули, идея магнитных монополей была высказана Дираком вместе с идеей о существовании «положительного электрона» — позитрона. И то и другое предположения были одинаково дики для физиков. Взять хотя бы идею о положительном электроне. Ясно, что когда-нибудь положительный электрон встретится с «настоящим», отрицательным электроном, в результате чего произойдет аннигиляция — превращение в электромагнитную энергию двух элементарных частиц. В конце концов такие процессы, казалось бы, должны были привести к уничтожению и мира, и физиков, изобретающих подобные теории.

Однако и одно и другое продолжают благополучно существовать. Стало быть, позитронов не бывает?

Такая или примерно такая точка зрения существовала до того момента, пока американский физик К. Д. Андерсон в 1932 году заметил в камере Вильсона след частицы, по всем данным идентичной электрону, однако отклоняющейся в магнитном поле в «неправильную» сторону.

Это был предсказанный Дираком позитрон.

Многие физики были раздосадованы — не один видел уже такой след у себя, в камере Вильсона, но не смог по той или иной причине отождествить частицу, оставившую его, с позитроном. В их числе, к сожалению, оказался и известный советский физик Д. В. Скобельцын, первым применивший к исследованию космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Именно метод Скобельцына использовал Андерсон, когда открыл позитрон.

После такого триумфа предсказаний Дирака доверие к его монополям резко возросло. Исследователи ринулись на поиски новых частиц. Раз монополи не противоречат ни классической, ни квантовой электродинамике, раз уж они предсказаны, раз они могут существовать, значит, они существовать должны.

Но где? И как?

И вообще что известно о монополе?

Что искать?

Как ни странно, Дирак из самых общих соображении смог предсказать и основные свойства монополя. Прежде всего оказалось, что заряд монополя не может принимать любое значение — он должен быть квантованным, точно так же, как и электрический заряд.

Величина этого заряда оказалась опять-таки связанной с «магическим числом» 137 (в квантовой физике есть два «магических числа» — 137 и 208; их происхождения и физического смысла никто не знает, но числа с поразительным упорством снова и снова всплывают в уравнениях и расчетах). Если заряд электрона равен 1/1370.5, то заряд монополя должен быть равен 1370.5/2.

Отсюда можно вычислить и силу взаимодействия между двумя магнитными зарядами — 137/2 * 137/2 = 4692 раза больше, чем сила взаимодействия электронов.

Можно вычислить и массу монополя — он довольно тяжел, по крайней мере в 3 раза тяжелее протона, причем число «сортов» монополей может быть очень велико — точно так же, как и число электрически заряженных частиц. Другими словами, мир магнитных частиц должен быть не менее разнообразен, чем мир электрически заряженных частиц.

Как могут создаваться монополи? Логично предположить, что они образуются примерно так же, как пара электрон — позитрон, например, в результате сильных столкновений между другими частицами. Таким образом, монополи могут быть найдены в продуктах взаимодействия разгоняемых в ускорителях частиц. Как их выделить? Очевидно, рядом с камерой, регистрирующей взаимодействия, нужно поставить очень мощный магнит, который смог бы «вытянуть» монополи из области взаимодействия.

С пуском в СССР, США и Швейцарии крупнейших ускорителей надежды найти монополи в продуктах реакций ускоренных частиц резко возросли. Создаются и очень мощные магниты.

Что же, будем ждать вестей об открытии (или «закрытии») монополей.

А пока их ищут в космосе научные космические спутники-лаборатории. Дело в том, что среди космических частиц встречаются частицы со столь грандиозной энергией, что получить ее на Земле в ускорителях физики не предполагают даже в самых голубых своих планах.

Интересный способ поимки монополей придумал японский физик Гото. Он утверждает, что наиболее легко извлечь их из… метеоритов.

Метеориты пролетают миллионы километров в космосе. Метеориты бомбардируются там космическими лучами. В метеоритах могут образоваться монополи. Раз разъединенные, они уже не могут аннигилировать. Поэтому монополи в метеоритах будут сохраняться практически вечно.

Одна из богатейших коллекций метеоритов собрана в Гарварде. Метеориты под страшные клятвы брались и уносились оттуда искателями монополей и подвергались действию сверхсильных магнитов. И с грустью относились обратно… Моиополей в метеоритах, в том числе в знаменитом сихотэ-алиньском — никто не отыскал.

Не обнаружили ни одного монополя и исследователи, пытавшиеся «вытянуть» их с помощью мощного магнита из горных магнетитовых пород, выходящих на поверхность Земли.

Ни одного монополя не обнаружили и энтузиасты, пытавшиеся «выудить» их из вековой донной грязи океанов.

Что это? Почему столько неудач? Неужели уже система?

А может быть, ищут не то? Или не там? Или, наконец, не так?

Споры вокруг монополей, частиц, которые сделали бы уравнения Максвелла полностью симметричными, не утихают.

Может возникнуть вопрос: а зачем все это?

Не слишком ли дорогую цену платят энтузиасты за то, чтобы найти наконец «монопольную» красоту полностью симметричных уравнений Максвелла?

Разумеется, нет. Уравнения Максвелла лежат в основе современной физики, и любое изменение в них, естественно, повлечет за собой переворот в нашем представлении о мире. А это гораздо важнее даже, чем та практическая польза, которую могло бы принести открытие монополей. Но и о ней, практической пользе, не стоит забывать. Подсчитано, что ускоритель, «стреляющий» монополями, а не электрически заряженными частицами, был бы при той же энергии ускоряемых частиц в тысячи раз дешевле аналогичных сегодняшних машин. Это происходит потому, что заряд монополя (как пока считают) очень велик, и его ускорение в магнитном поле происходило бы быстро и очень эффективно. Таким образом, монополи, если бы их открыли, помимо всего прочего, сразу же смогли бы сэкономить нам и многие миллионы рублей.

Находка монополей будет грандиозным событием в физике, сравнимым, может быть, с открытием радиоактивности или электрона.

Ну а если монополей нет и они не будут найдены?

Ведь вполне возможно, что поиски «монопольной» красоты не имеют под собой почвы и сама вожделенная симметрия уравнений Максвелла иллюзорна.

Видимо, окончательное «закрытие» монополей будет не меньшим праздником для физиков, чем их возможное открытие. Для того чтобы наложить окончательный безапелляционный «запрет» на существование монополей, потребуется выработать какие-то новые физические принципы, заново пересмотреть всю теорию электромагнитных явлений. Сегодняшние представления в большой мере поддерживаются интуитивной убежденностью в равноправии электрических и магнитных явлений. Именно этой интуитивной убежденностью и вызваны поиски симметрии максвелловских уравнений.

Но если окажется, что уравнения все же умнее нас, в чем был убежден Генрих Герц, то на все, даже самое очевидное, придется посмотреть с новых позиций — на этот раз с позиций уже принципиального «неравноправия» электрических и магнитных явлений.

Пока уравнения стоят незыблемо…

Стоят, хотя их позиции ослабляются еще и с другой стороны.

В последнее время среди физиков начинает утверждаться еретическая мысль: заряд электрона — зарядовая единица, основной кирпичик электронной и квантовой теории — вовсе не так элементарен и неделим, как казалось в начале века.

Чем больше становится ускорителей, тем больше открывают новых «элементарных» частиц.

Прошли те времена, когда элементарные частицы насчитывали в своем семействе два члена: электрон и протон. То был золотой век электромагнитных теорий, когда все в мире, казалось, можно было объяснить электромагнитными взаимодействиями.

«Электромагнитный мир» рухнул, когда был открыт нейтрон (Чадвик, 1932 год) — электрически нейтральная частица с массой протона, принципиально не способная ввиду отсутствия заряда на электромагнитное взаимодействие.

Затем — всего за 25 лет — еще 30 «элементарных» частиц.

В 1947 году появились «странные» частицы с особым, неэлектрическим видом заряда, не подчиняющиеся законам сохранения, — К-мезоны и гипероны. Затем — мюон, «тяжелый электрон», эквивалентный электрону по свойствам, но тяжелее его в 208 раз. Зачем нужна такая частица, когда уже есть электрон? «Посмотрите на мюон, — говорил один видный физик. — Кем и когда заказана эта частица»?

А ведь были еще лептоны, андроны, бариоиы, антибарионы, гипероны, резонансы.

Каждый год — десяток новых частиц. Уже — неслыханное дело! — не хватает букв всех алфавитов для их обозначения. Физики считают, что общее число «элементарных» частиц перевалило за несколько тысяч. Не многовато ли для «элементарных»?

Не мудрено, что нашлись ученые, решившие покончить с беспорядком в мире частиц и свести их все к комбинациям «поистине элементарных» частиц.

И тут появились «кварки». Частицы, отрицающие и электрические и магнитные единичные заряды. Кварки — против монополей.

«Кварк» по-немецки — творог, в переносном смысле — чепуха. Название взято американцем М. Гелл-Маном из романа английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану», где этим словом обозначаются явления фантасмагорические.

Итак, нечто «бредовое, чепуховое, немыслимое, абсурдное, невообразимое» — вот что такое кварки. И это в большой мере оправданно, потому что свойства частиц, придуманных Гелл-Маном, никак не назовешь заурядными.

И первое, самое дикое — заряд кварка не равен единице (заряду электрона) и не кратен ему! Один из кварков обладает зарядом +2/3, другой -1/3!

* * *

Нейтрон? О, это очень просто! Он является частью фундаментального октета со спином 1/2 лептонным числом 0 и странностью 0. В общем, возьмите несколько кварков, и он — перед вами!

Из сборника «Физики продолжают шутить»

* * *

И еще масса других безумных свойств — но здесь уже не наша тема. Один пример: для того чтобы составить всего один протон, нужны три кварка массой в 30 (!) протонов.

Кварки ищутся не менее настойчиво, чем монополи.

И с тем же успехом.

Ищут на ускорителях. Ищут в космосе. Уже при запуске первой двенадцатитонной орбитальной лаборатории «Протон-1» в 1965 году «Правда» сообщила:

«…В будущем открывается возможность для решения одной из фундаментальных задач — поиска элементарных частиц, в частности, предсказываемых теорией так называемых кварков…»

Ищут на далеких звездах, где излучаются частицы громадных энергий, способные создать «кварко-атомы», в которых вокруг протона вращается не электрон, а кварк.

Ищут физики и астрономы.

Ищут зоологи и биологи. Известно, что некоторые растения могут избирательно потреблять элементы из почвы. Нет ли растений — «поедателей» кварков?

Вообще если бы кварки на Земле были, их, казалось бы, было бы нетрудно отыскать — ведь из-за своего дробного заряда они не могут ни к чему присоединиться. Как выразился некогда профессор А. С. Компанеец, «кварк непременно валяется у нас под ногами, если он когда-либо вообще был. Но никто не сумел пока найти его».

Итак, ни монополи, ни кварки еще не найдены, и еретические веяния никак не затрагивают уравнений Максвелла и основанных на них теорий.

А стоит ли бояться «ереси»?

Ведь любое открытие, уточняющее картину мира, неизбежно приведет отнюдь не к краху, а к упрочению, укреплению уравнений Максвелла.

Единственное, что может «случиться», — то, что будут вскрыты более глубокие пласты научного знания, будет построена еще более общая теория.

Теория, частным случаем которой обязательно будут уравнения Максвелла.