Сейчас, ретроспективно оценивая идею фотонов, мы находим в ней еще более радикальный отход от основ классической картины мира. Эйнштейн в отличие от Планка говорил о дискретности энергии электромагнитного поля не только при его излучении и поглощении, но и между этими процессами. Поле по своей природе дискретно ("пиво не только продается пинтовыми бутылками, но и состоит из пинтовых неделимых порций, находясь в бочонке"). Довольно естественным обобщением этой мысли служит представление о том, что все поля дискретны, что мы можем описывать поле, действующее на частицу, с точностью до некоторой далее неделимой величины. Классическая физика исходит из того, что поведение частиц определяется их взаимодействием, иначе го
524
воря, некоторыми силовыми полями, порождаемыми частицами и воздействующими на них. Если очистить классическую механику от иных воздействующих на частицы сил (например, сил инерции, вызванных не взаимодействием тел, а абсолютным ускорением системы), т.е. приблизить ее к "классическому идеалу", то мы получим Вселенную, в которой взаимодействия частиц определяют все, что в ней происходит.
Если эти взаимодействия нельзя определить с неограниченной точностью, то в указанной идеальной картине окажутся как бы маленькие пятна. "Классический идеал" ограничен некоторыми наименьшими значениями энергии, наименьшими силами, определяющими движения частиц. Таким образом, теория фотонов оказалась бомбой замедленного действия, направленной против "классического идеала". Она угрожала этому идеалу только при очень малых "порциях" поля. Но этого было достаточно, чтобы лишить былого абсолютного доверия картину, в которой все определялось с какой угодно точностью, так что даже бесконечно малое изменение состояния частицы можно было объяснить некоторым действием поля.
Подобная связь между бесконечно малым изменением состояния движения частицы и значениями напряженности поля - краеугольный камень физики, причем не только физики, основанной на законах Ньютона, но и физики, реформированной Эйнштейном. Эйнштейн считал взаимодействие частиц ответственным за все, что происходит в природе. Указанная связь выражается в уравнениях, связывающих переменные поля с бесконечно малыми изменениями состояния движения частицы. Такие уравнения называются дифференциальными уравнениями. Примером их служит уравнение движения частицы в силовом поле. Бесконечно малое изменение скорости частицы определяется напряженностью силового поля.
До появления квантовых концепций думали, что, какое бы малое изменение состояния движения частицы (например, ее ускорения в силовом поле) мы ни взяли, все равно закон, связывающий поведение частицы с действием других частиц, т.е. с полем, будет действовать неуклонно. Оказывается, порции энергии поля не могут быть меньше определенной минимальной величины и увеличиваться она может только определенными конеч
525
ными добавками. Раньше знали о дискретности материи, об атомах наименьших частицах вещества. Теперь выяснилось, что взаимодействие тел, с одной стороны, и изменения их состояния движения, с другой, дискретны и теряют свою однозначную связь, когда речь идет об очень малых величинах, меньших, чем предельные минимальные значения переменных, выражающих энергию поля и изменения состояния движения.
Сравним две картины. Одна из них написана красками, смешанными на палитре. Краски, положенные на холст, дают непрерывный переход от одного цвета к другому. Другая картина написана чистыми, не смешанными красками и состоит из отдельных небольших пятен определенных цветов. Так писали некоторые импрессионисты; они думали, что смешение красок не на палитре, а в глазу, дает более точное изображение натуры. Классическая картина мира соответствует пейзажу, написанному в старой манере, квантовая соответствует указанному только что множеству отдельных пятен без непрерывных переходов. Какая картина отображает действительность?
В доквантовой физике ответ был различным в зависимости от того, шла ли речь о веществе или же о движении. Вещество признавалось дискретным, и картина вещества в конце концов должна была строиться из отдельных мазков, соответствующих атомам. Но картина движения была непрерывной, закон движения связывал бесконечно малые приращения скорости движения с определенными значениями сил.
Квантовая механика на основе множества непререкаемых фактов пришла к дискретной картине поля и движения.
Все эти выводы можно было сделать уже из самой идеи фотонов. Но в 1917 г. Эйнштейн сделал еще один шаг по направлению к статистико-вероятностпой концепции движения частиц. Он вывел из представления о фотонах и модели Бора законы излучения, найденные когда-то Планком. Законы, управляющие излучением атомов, носят статистический характер, они определяют каждый раз вероятность излучения. Излучение волн и излучение частиц (оно подчинено каждый раз воле случая) - вещи, по-видимому, несовместимые, и именно это Эйнштейн рассматривал как уязвимое место своей теории излучения.
526
"Слабость этой теории, - писал он, - заключается в невозможности связать ее с волновым представлением. Далее, эта теория отдает на волю случая время и направление элементарных процессов..." [3]
3 Physicalische Zeitsclirift, 1917, 18. 127.
Действительно, элементарный процесс, т.е. отдельный акт излучения фотона при переходе электрона с одной боровской орбиты на другую, подчинен случаю, и только при большом числе излученных фотонов результат будет соответствовать вероятности, которая определена статистическим законом.
Указанные обстоятельства - отсутствие связи с волновым представлением и случайный характер излучения - были в глазах Эйнштейна симптомами большой угрозы, нависшей над самим существованием физики. Бора они не смущали. Он знал, что свет ведет себя как частицы в явлениях фотоэффекта, например в фотоэлементах, где фотоны срывают электроны с поверхности металлической пластинки. Бор знал также, что свет ведет себя как волны, проходя, например, через узкие отверстия или решетки, где имеет место дифракция изменение направления волн, огибающих края отверстий. Отсюда - неизбежность нового взгляда на свет, как бы далеко ни уводил этот взгляд.
Бор вспоминает о своей первой встрече с Эйнштейном и первом споре о характере законов, управляющих поведением фотонов.
"Когда в 1920 г. при моем посещении Берлина я в первый раз встретился с Эйнштейном - что было для меня великим событием, - эти фундаментальные вопросы и были темой наших разговоров. Обсуждения, к которым я потом часто мысленно возвращался, добавили к моему восхищению Эйнштейном еще и глубокое впечатление от его непредвзятой научной позиции. Его пристрастие к таким красочным выражениям, как "призрачные поля, управляющие фотонами", не означало, конечно, что он склонен к мистицизму, но свидетельствовало о глубоком юморе, скрытом в его проницательных замечаниях. И все-таки между нами оставалось некоторое расхождение в отношении нашей точки зрения и наших видов на будущее. При его мастерстве согласовывать, казалось бы, противоречащие друг другу факты, не отказываясь от
527
непрерывности и причинности, Эйнштейн, быть может, меньше, чем кто-либо другой, был склонен отбросить эти идеалы, - меньше, чем кто-либо, кому такой отказ представлялся единственной возможностью согласовать многообразный материал из области атомных явлений, накапливавшийся день ото дня при исследовании этой новой отрасли знаний" [4].
4 Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории иозпа ция. - В сб.: Albert Einstein: Philosopher Scientist. Evanston, 1949. Русск. пер. в кн.: Вор Н. Избр. науч. труды, т. П. М. 1971, с. 403.
528
В 1961 г. Бор подробнее рассказал о первых спорах с Эйнштейном. Когда Эйнштейн поделился своими сом нениями насчет необходимости расстаться с идеалами не прерывности и причинности, Бор ответил:
"Чего вы, собственно, хотите достичь? Вы - человек, который сам ввел в науку понятие о свете как о частицах! Если вас так беспокоит ситуация, сложившаяся в физике, когда природу света можно толковать двояко, ну что же, обратитесь к правительству Германии с просьбой запретить пользоваться фотоэлементами, если вы считаете, что свет - это волны, или запретить употреблять дифракционные решетки, если свет - частицы".
"Аргументация моя, - прибавляет Бор, - как видите, была не слишком убедительна и строга. Впрочем, для того времени это достаточно характерно..."
В наши дни становится ясным, что позиция Эйнштейна выражала отнюдь не простую приверженность к старым позициям физики, а скорее догадку о неокончательном характере новых позиций, о возможности еще более общих и еще более точных исходных принципов физики.
Бор продолжает свои воспоминания:
"Эйнштейн с горечью заметил:
- Видите, как получается: приходит ко мне такой человек, как вы, встречаются, казалось бы, два единомышленника, а мы никак не можем найти общего языка. Может быть, стоило бы нам, физикам, договориться о каких-либо общих основаниях, о чем-то общем, что мы твердо будем считать положительным, и уже затем переходить к дискуссиям?
И снова я запальчиво возражал:
- Нет, никогда! Я счел бы величайшим предательством со своей стороны, если бы, начиная работу в совершенно новой области знаний, позволил себе прийти к какому-то предвзятому соглашению" [5].
5 Наука и жизнь, 1961, № 8, с. 78.
Здесь пути разошлись. Эйнштейн продолжал думать об общих основаниях физики, из которых вытекали бы частные проблемы. Он искал эти основания по-прежнему в классическом идеале науки. Бора влекла романтика новых закономерностей бытия, не укладывающихся с абсолютной точностью в рамки классической гармонии.
В реплике Эйнштейна "Если все это правильно, то здесь - конец физики" есть одна мысль, может быть, самая поразительная. Эйнштейн думает, что точка зрения Бора - конец той физики, которая до сих пор существовала, по не исключает точки зрения Бора, считает ее в принципе допустимой ("если все это правильно..."). В этом выражается смелость мысли, дошедшей до сомнений в стержневой идее собственного творчества и в стержневой идее существовавшей до сих пор науки. В этом выражается понимание допустимости, возможности и, более того, красоты ("высшей музыкальности") теори