Александр Григорьевич Столетов родился во Владимире в старой купеческой семье, которая при Иване Грозном была выслана из Москвы за крамолу и вольнодумство. Во Владимире именем Столетова названа улица. Он внес большой вклад в развитие физической науки в России, некоторые из его студентов стали известными учеными. У Столетова учился физике основоположник отечественной авиации Н. Е. Жуковский. И вместе с тем он своим авторитетом «задавил» идею, которая, став широко известной физикам, значительно бы ускорила развитие науки. В жизни подчас бывают парадоксальные ситуации…
История «волн материи» говорит также о том, насколько осторожным следует быть с научными идеями. Не зря некоторые физики предлагают создать специальный журнал, который бы печатал «материал к размышлению» — не признанные, но и не опровергнутые идеи.
Волны вероятности
Успех дебройлевской идеи о волнах материи, позволившей объяснить многие противоречивые явления микромира, сразу поставил ее в центр внимания физиков. Ее обоснованием занялись экспериментаторы и теоретики. И вскоре выяснилось, что хотя эти волны и называли «волнами материи», материального в них мало. Они описывают распределение не материи, а вероятности — вероятности обнаружить частицу в той или иной точке пространства.
Будем бросать монету и считать, сколько раз выпадет «герб» или «решка». Отношение числа случаев с «гербом» к полному числу бросаний — вероятность выпадания «герба». Аналогично определяется вероятность выпадания «решки». Что выпадет в каждом конкретном случае, точно не известно. Это может быть «герб», а может быть «решка». Но при большом числе бросаний вероятности выпадания «герба» и «решки» одинаковы и равны 50%. (Иногда говорят: пятьдесят шансов из ста.)
Если монета погнута или испорчена каким-либо другим образом, вероятности выпадения «герба» и «решки» будут различными — например, 40% для «герба» и 60% для «решки». Зная эти числа, можно заранее оценить, в скольких случаях мы выиграем.
Теория вероятностей была создана в связи с азартными играми, но в дальнейшем оказалась чрезвычайно полезной во многих областях науки и техники. Артиллеристы стали использовать ее для оценки точности стрельбы, страховые компания с ее помощью стали оценивать степень риска. Она оказывается незаменимой во всех случаях, когда имеют дело со сложными явлениями, где действуют сразу очень много независимых факторов. Например, как описать движение миллиардов частиц газа? Даже если бы и удалось написать для них систему уравнений, она была бы такой громоздкой и сложной, что решить ее не смогла бы ни одна ЭВМ! Вот тут и нужна теория вероятности.
Так вот, выяснилось, что отдельно взятый электрон может находиться в любой точке пространства, у него нет определенной траектории. Но если опыт повторить много-много раз, то выявится статистическая, усредненная картина его движения. Оказывается, что в некоторых участках пространства он, в среднем, бывает чаще, чем в других. Интенсивность дебройлевской волны как раз и характеризует вероятность — относительную частоту пребывания электрона в различных точках. То же самое для фотонов. Эти частицы чаще появляются там, где больше интенсивность их дебройлевской волны. В этих местах наибольшая освещенность и наибольшая амплитуда световой волны. Движение отдельного фотона настолько сложное и прихотливое, что с определенной вероятностью его можно обнаружить в различных точках пространства. Строгие закономерности, так же как при бросании монеты, проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически в среднем световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение световой волны. Получается так, что поодиночке каждый из фотонов — корпускула, а в совокупности они обнаруживают волновые свойства. Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что микрочастицы двигаются по нечетко определенным, размазанным траекториям, а размазка имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит в природе, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.
С точки зрения Ньютона, мир, образно говоря, похож на четко вычерченную сеть железных дорог, по которым строго, в соответствии с расписанием движутся поезда-частицы. В микромире эта картина размывается, становится нечеткой, расплывчатой, как будто мы разглядываем ее в плохо сфокусированный бинокль. О движении частиц там можно говорить лишь с определенной вероятностью.
Когда физики говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра по определенной орбите, это означает, что электрон чаще всего находится в ее точках, но с некоторой вероятностью его можно обнаружить и вдали от ядра. Представьте, что было бы, если бы так себя вели вращающиеся вокруг Солнца планеты! Аналогия между атомом и Солнечной системой на поверку оказывается весьма отдаленной.
Но что порождает такое различие? Ведь и планеты и электроны движутся в пустом пространстве. Почему же в одном случае движение происходит по точным траекториям, а в другом частицы, как пьяные, исполняют «броуновскую пляску» вокруг своих траекторий? Что является ее причиной?
Что размазывает траекторию
Физики пока не могут однозначно сказать, отчего это происходит. Можно думать, что причина этому — взаимодействия микрочастицы с окружающим ее фоном. Ведь частица никогда не бывает полностью изолированной, она постоянно испытывает случайные возмущающие воздействия неисчислимого количества других микрообъектов. Прежде всего атомов и молекул, из которых состоят окружающие тела. Если частица медленная и легкая, то возмущающие толчки резко изменяют ее скорость и этим, хотя бы отчасти, можно объяснить, почему, казалось бы, одни и те же начальные условия — одинаковые экраны, щели, каналы и так далее — приводят к различным последствиям. Дополнительные возмущения вносят атомы, из которых состоят регистрирующие приборы. Все эти толчки и пинки на атомном уровне размазывают движение частицы, делают его неконтролируемым.
Но самое главное возмущение происходит от частиц и античастиц, во множестве рождающихся и быстро аннигилирующих в окружающем вакууме.
Идея абсолютной пустоты, вакуума, пришла к нам из далекого прошлого. Само представление о мире часто ассоциируется у нас с образом безграничного пустого пространства с отдельными зернами материальных вкраплений. Мы привыкли к мысли, что пустота — это исходное, самое простое, не требующее никаких объяснений состояние окружающей природы, синоним полного «ничто». Однако квантовая теория говорит о том, что вокруг каждой точки кажущегося нам абсолютно пустым пространства непрерывно происходят сложнейшие материальные процессы. Если бы существовал микроскоп с увеличением в миллиарды раз, можно было бы увидеть, что пространство густо пропитано курящимся «смогом» микрочастиц, где все вибрирует, обменивается импульсами, распадается и вновь объединяется в новых комбинациях. В отличие от воздуха, этот смог нельзя вычерпать из пространства. Микрочастицы появляются из ничего и мгновенно обращаются в ничто.
Если бы был жив Ньютон, то всплески вещества в вакууме ему, наверное, показались бы похожими на привидения, которые неожиданно возникают и, прежде чем мы успеваем определить, материальны они или же всего только мираж, так же внезапно исчезают. Однако опыт убеждает нас, что это — вполне реальные процессы, а заполненный ими вакуум ведет себя, как некая материальная среда, не имеющая осязаемой плотности и не мешающая движению физических тел. Ньютон назвал бы ее всепроникающим эфиром.
Подобно частичкам взвеси в жидкости, движущаяся в пустом пространстве микрочастица все время испытывает толчки частиц вакуумного смога, и это сказывается на ее траектории.
Итак, микрочастица погружена в невообразимо сложное переплетение связей, на ее движение влияет огромное количество различных факторов. Можно думать, что это как раз и делает его «размазанным», вероятностным. Так же как нельзя построить точной теории, описывающей поведение всех частиц газа, невозможно создать и точную, основанную на ньютоновских законах теорию движения микрочастицы в вакууме. Но это только одна сторона дела.
Хотя точной теории движения всех частиц в облаке газа создать нельзя, к ней, в принципе, можно приблизиться как угодно близко: сначала построить теорию для двух частиц, потом для трех и так далее. Трудности здесь только технические, и, если бы мы располагали сверхмощной ЭВМ, задача была бы решена. В микромире положение принципиально иное. Постепенно наращивая число учитываемых связей, можно надеяться объяснить «броуновскую пляску» микрочастицы, но факт прохождения ее сразу через две щели и интерференцию с уже исчезнувшими и еще неродившимися частицами объяснить не удастся, сколько бы связей мы ни учли. Для этого нужны какие-то совершенно новые законы, выходящие за рамки ньютоновской физики. В квантовой механике факт интерференции не объясняется, он просто берется из опыта и считается постулатом, таким же, например, как аксиомы геометрии. Только они кажутся нам совершенно очевидными, мы ежеминутно встречаем подтверждение им в повседневной жизни, а постулат квантовой теории нам совершенно непривычен, требуется детальное знакомство со свойствами микропроцессов, чтобы с ним согласиться.
Было предпринято много попыток построить «всем понятную» теорию микропроцессов, в которой вероятностные законы квантовой механики получались бы в результате постепенного усложнения «заквантовой» теории с точными траекториями частиц. Этой проблемой занимались многие выдающиеся ученые. В частности, Эйнштейн до конца своей жизни был убежден в том, что такая «заквантовая» теория обязательно должна существовать. В своих статьях он писал, что квантовая механика — это всего лишь временная постройка, некое приближенное, размытое изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений. И пока она не найдена, задача физики микромира, по мнению Эйнштейна, остается невыполненной. Но все попытки оказались безуспешными. Опыт показывает, что, чем глубже в недра микромира мы уходим, тем более важными становятся там вероятностные законы. Сегодня большинство физиков уверены в том, что любая «заквантовая» теория будет основана на законах вероятности. Так уж устроен мир. Но почему он так устроен? Ведь должно же быть какое-то объяснение этому…