Когда такое необъяснимое, «противоестественное» поведение микрочастиц было обнаружено впервые на опыте, многие ученые восприняли его как конец физической науки, которая, казалось им, добралась, наконец, до исходного, «первозданного микрохаоса», прикоснулась к «праматерии», где уже нет никаких законов. Знаменитый голландский физик Г. Лоренц еще совсем недавно, в 1924 году, с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл вообще заниматься наукой? 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 все еще представлялось ясным… Взамен ясных и светлых образов возникает стремление к каким-то таинственным схемам, не подлежащим отчетливому представлению».
Положение казалось безнадежно запутанным: беспричинно мечущиеся в пространстве частицы, каждая из которых может столкнуться сама с собой. И в то же время состоящие из них тела с удивительной точностью подчиняются законам Ньютона. Было от чего прийти в отчаяние. Как шутили в то время физики, по четным дням недели им приходилось пользоваться механикой Ньютона, а по нечетным — доказывать, что она не верна! Казалось бы, мир и минуты не мог бы существовать, будь в нем такие ужасные противоречия, а он живет уже двадцать миллиардов лет! Физика зашла в тупик.
Загадка света
Теоретическая путаница у физиков возникала не только при попытках понять, как движется микрочастица, но и при объяснении природы света. Что это, частица или волна? Еще триста лет назад об этом ожесточенно спорили Ньютон и Гук. Первый разделял точку зрения, которой придерживались еще древнегреческие ученые: свет — это поток мельчайших, не различимых глазом частиц-корпускул. Это хорошо объясняло известные в то время оптические явления — поглощение света экранами, его отражение от зеркал, преломление в линзах и многое другое. Все это удавалось объяснить, используя законы механики для частиц-корпускул. Гук был убежден в том, что свет по своей природе похож на звук, — это тоже волны, испускаемые источником.
Фольклорное эхо донесло до наших дней немало пикантных подробностей этих словесных баталий, то и дело выходивших далеко за рамки научных дискуссий. Говорят, что после одного из споров, в котором темпераментный и не стеснявшийся в выборе выражений Роберт Гук превзошел самого себя в язвительной критике ньютоновской теории световых корпускул и ее автора, последний решил вообще не публиковать своих трудов по оптике, пока будет жив Гук.
Надо заметить, что Роберт Гук отличался удивительно неуживчивым, болезненно самолюбивым характером. Разносторонний, талантливый человек с живым, нестандартным мышлением, он в своих исследованиях часто далеко опережал коллег. Бывало, правда, переоткрывал открытое, с жаром доказывая свой приоритет. Ни одно его исследование, ни одно изобретение не было доведено до конца. Непрерывные недоразумения, ссоры, склоки, приоритетные споры заполняли жизнь этого исключительно одаренного, но крайне мелочного и вздорного человека. Почти всякий талантливый ученый вскоре становился его врагом. Ньютон в этом отношении не был исключением.
Но главной причиной решения Ньютона воздержаться от публикации своих трудов была, конечно, не полемичная страстность Гука и его необузданный характер, а сила приводимых им новых фактов. Корпускулярная гипотеза, развивавшаяся Ньютоном, не могла устоять против них. Только с помощью волновых представлений можно было объяснить, почему прибавление света к свету может не только увеличивать, но иногда и уменьшать освещенность, порождая сложные интерференционные картины, как у волн в жидкости, или почему, например, свет огибает мелкие препятствия и на краях тени всегда есть некоторая полутень. В случае потока частиц тень должна иметь резкие края — частица либо поглощается экраном, либо пролетает мимо, и направление ее движения нисколько не изменяется.
Явлений, в которых проявляется волновая природа света, становилось все больше, и в течение трех последующих веков ученые были твердо убеждены, что свет — это волновое движение некой сверхтонкой, заполняющей все пространство материи. Ее стали называть эфиром. Так древние греки в своих мифах называли особый «сверхтонкий» воздух, которым дышит Зевс и другие боги на вершине Олимпа. Для объяснения оптических свойств эфир впервые широко стал использовать голландец Христиан Гюйгенс.
Однако, как это часто бывает в физике, ее развитие неожиданно снова возродило старую идею. Несмотря на успехи волновой теории, с конца прошлого века стали быстро накапливаться факты, которые можно было объяснить, лишь допустив, как это делал когда-то Ньютон, что свет — это поток отдельных, не связанных между собою частиц. Их называют теперь фотонами. Идею о корпускулярном строении света в начале нашего века возродил Эйнштейн. Об этом уже рассказывалось в первой главе. Теория Эйнштейна объединила старую ньютоновскую гипотезу с выдвинутой незадолго до этого идеей немецкого теоретика Макса Планка о том, что при всех взаимодействиях энергия передается квантами — дискретными порциями, кратными некоторой минимальной величине, которая является такой же фундаментальной постоянной, как скорость света или заряд электрона. В честь открывшего ее ученого эту постоянную стали называть константой Планка.
Идея дискретного, квантованного света получила блестящее подтверждение в атомных процессах. Сталкиваясь с атомными электронами, световые частицы рассеиваются, подобно упругим горошинам. В тех случаях, когда их энергии недостаточно для полного отрыва электрона от атома, электрон поглощает фотон, увеличивает свою энергию, становясь менее скованным силой электрического притяжения, переходит на большую, более далекую от центра атома орбиту — атом возбуждается. В последующем электрон может вернуться на исходное место, ближе к ядру, а освободившаяся энергия излучится в виде фотона.
Атомы могут возбуждаться и при столкновениях друг с другом. Так происходит при нагревании. Слабо нагретое тело испускает лишь невидимые инфракрасные фотоны, при увеличении температуры, то есть скоростей хаотического движения составляющих тело атомов, испускается видимый свет — сначала «мягкие» красные фотоны, а затем «жесткие» синие. При высоких температурах рождаются очень жесткие фотоны ультрафиолетового света. Все особенности испускания и поглощения света прекрасно объясняются фотонной теорией.
Казалось бы, можно уверенно сказать, что корпускулярная теория света одержала победу. Но как быть с волновыми свойствами света? Они не перестали существовать. Как и во времена Ньютона, корпускулярная теория их не объясняет. Поэтому загадка света ничуть не прояснилась, наоборот, она стала еще непонятнее.
Гибрид волны и частицы
Вскоре был установлен еще один удивительный факт: во всех процессах энергия световой частицы каждый раз оказывается обратно пропорциональной длине световой волны, то есть определяется каким-то непонятным коллективным эффектом. Получается, что хотя фотон и не связан с другими своими братьями (все они совершенно независимые частицы), но он все же как-то чувствует их присутствие, и они все вместе составляют световой поток. Внешне это выглядит так, как будто частицу-фотон несет гребень какой-то таинственной нематериальной волны. И чем больше его энергия, тем короче, «жестче» эта волна.
В этом есть нечто общее с тем, как поток электронов проходит сквозь щели в экране. Каждый электрон тоже ведь пролетает сквозь какую-то одну щель, и при этом он тоже как будто знает о своих собратьях, которые взаимодействуют с экраном до и после него и располагаются на фотопластинке так, чтобы в целом получилась единая интерференционная, волновая картина. Более того, каждый следующий электрон может испускаться и проходить сквозь щели в экране уже после того, как предыдущий поглотился фотопластинкой. И все равно связывающий их коллективный эффект остается: на пластинке опять образуются отчетливые интерференционные просветы и пятна. Каждый из электронов каким-то образом ухитряется провзаимодействовать со своими уже умершими и с еще неродившимися собратьями.
Размышляя над странной аналогией в поведении электронов и частиц световой волны, французский физик Луи де Бройль пришел к мысли о том, что любой микрочастице, независимо от ее природы, сопутствует некая «волна материи». Подобно мифическому кентавру, полулошади-получеловеку, микрочастица, по мнению де Бройля, тоже объединяет в себе, казалось бы, несовместимое — является гибридом волны и корпускулы. Де Бройль предположил, что не только у фотона, но и во всех других случаях длина «волны материи» обратно пропорциональна энергии связанных с нею частиц. И хотя физическая природа этих волн (их стали называть дебройлевскими) оставалась загадочной, они хорошо описывали сложные интерференционные узоры в опытах с электронами, а позднее и с более тяжелыми частицами — протонами и даже молекулами. Перед физиками встала интригующая задача — понять и объяснить происхождение этих загадочных волн.
Интересно, что первым, задолго до де Бройля, еще в конце прошлого века, идею о волнах материи высказал русский ученый Б. Б. Голицын. И это была не просто гениальная догадка-озарение, свой вывод Голицын основывал на анализе экспериментального материала по выбиванию электронов светом из металлических пластин. В этих опытах впервые были получены указания на дискретные свойства световой волны. Три десятилетия спустя их использовал и Луи де Бройль. Однако русский ученый слишком опередил свое время. В конце XIX века была еще слишком велика вера во всемогущество классических законов Ньютона. Большинство ученых было уверено, что основные законы природы уже открыты и физика близка к своему завершению, остались лишь небольшие доделки. На этом фоне идея о волнах материи выглядела совершенно несерьезной и фантастической. Против нее резко выступил известный московский физик А. Г. Столетов, тот самый, кто выполнил опыты по выбиванию электронов светом, ставшие в дальнейшем одним из краеугольных камней квантовой теории. Это могло бы выглядеть историческим курьезом, но для Столетова все обернулось трагедией. Дело в том, что Б. Б. Голицын был не только талантливым физиком, но обладал еще и княжеским титулом, а это в дореволюционной России было очень важным обстоятельством. У Столетова стали возникать служебные неприятности, а он, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Все больше сил уходило на бесплодную борьбу. Закончилось это тяжелым сердечным приступом и последовавшей вскоре за этим смертью Столетова, а замечательная идея Голицына была похоронена заживо и не оказала никакого влияния на последующее развитие физики. Де Бройль ничего не знал об этой идее.