-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.
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.
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 ари