Читать книгу "Эпоха крайностей. Короткий двадцатый век 1914 - 1991 - Эрик Дж. Хобсбаум"

Но между 1885 и 1914 годом все эти характеристики классической физики были поставлены под сомнение. Является ли свет непрерывным движением волны или эмиссией дискретных частиц (фотонов), как полагал вслед за Планком Эйнштейн? В некоторых ел;-чаях уцобнее было считать свет волнами, а в некоторых случаях— частицами, но какая связь существует между волнами и частицами? И что тогда представляет собой свет на самом деле? Вот что писал великий Эйнштейн через 2о лет после появления этой загадки: «Теперь мы имеем две теории света, каждая из которых нам совершенно необходима; но приходится признать, что между этими теориями нет никакой логической связи, несмотря на двадцать лет колоссального труда физиков-теоретиков, пытающихся эту связь установить» (Holton, 1970, р. 1017)- Что происходит внутри атома, который теперь считается не элементарной, следовательно, неделимой частицей материи (как это предполагается его греческим названием), а сложной системой, состоящей из ряда еще более элементарных частиц? Первое предположение в этой связи, последовавшее за величайшим открытием Резерфордом атомного ядра в Манчестере в 1911 году (этим триумфом экспериментального воображения, заложившим основу современной Времена упадка

ядерной физики и так называемой «фундаментальной науки»), заключалось в том, что электроны циркулируют по орбитам вокруг ядра, как планеты вокруг солнца. Но изучение структуры отдельных атомов (особенно структуры водорода Нильсом Бором, знавшим о «квантах» Макса Планка) опять-таки продемонстрировало глубочайшие расхождения между поведением электрона и — цитируя самого Нильса Бора — «восхитительно стройным набором концепций, которые по праву называются классической теорией электродинамики» (Holton, 1970, р. Ю28). Предложенная Бором модель «работала», т. е. обладала блестящими объяснительными и прогностическими возможностями. Вот только с позиций классической механики она являлась «абсолютно иррациональной и абсурдной», совершенно не объясняя, что точно происходит внутри атома, когда электрон «перепрыгивает» или каким-то иным способом перемещается с одной орбиты на другую. Или что происходит между тем моментом, когда электрон появляется в одном месте, а потом вдруг обнаруживается в другом?

И какова теперь точность научных наблюдений, если оказалось, что процесс наблюдения физических явлений на субатомном уровне изменяет эти явления? По этой причине, чем точнее мы хотим знать положение частицы на субатомном уровне, тем неопределеннее становится ее скорость. Приведем весьма типичное высказывание по поводу возможности любых способов детального наблюдения за точным положением электрона: «Характеристики электрона можпо измерить, только уничтожив его» (Weisskopf, 1980, р. 37) · Этот парадокс был в 1927 году обобщен в знаменитый «принцип неопределенности» блестящим молодым немецким физиком Вернером Гейзенбергом и с тех пор носит его имя. Тот факт, что в названии принципа фигурировало слово «неопределенность», достаточно показателен. Название определяло круг проблем, волновавших исследователей нового научного пространства, отказавшихся от былой точности научных построений. И дело совсем не в том, что сами ученые сомневались в своих построениях или приходили к спорным заключениям. Напротив, их теоретические выкладки, при всем кажущемся неправдоподобии и странности, подтверждались результатами наблюдений и опыта. В частности, общая теория относительности Эйнштейна, казалось бы, нашла свое подтверждение в 1919 году. Изучавшая солнечное затмение британская экспедиция обнаружила, что свет от ряда удаленных звезд отклонялся в направлении солнца в соответствии с общей теорией относительности. В практическом отношении физика элементарных частиц являлась такой же предсказуемой и закономерной, как и классическая физика, только совершенно в ином роде; и как бы то ни было, на макроатомном уровне законы Ньютона и Галилея оставались совершенно справедливыми. Так что ученые испытывали некоторое недоумение, не зная, как совместить старые и новые теории.

А

Маги и ихученики

Между 1924 и 1927 годами этот дуализм, не дававший покоя физикам первой четверти двадцатого века, был преодолен или, скорее, обойден при помощи блестящих построений математической физики. Речь идет о квантовой механике, почти одновременно созданной в нескольких странах.

То, что находится внутри атома, является не волной или частицей, а неразделимым «квантовым состоянием», которое представляет собой либо волну, либо частицу, либо то и другое вместе. Рассматривать квантовое состояние как непрерывное или прерывистое движение бессмысленно, поскольку мы никогда не сможем шаг за шагом проследить весь путь электрона. Такие понятия классической физики, как положение в пространстве, скорость или инерция, просто неприменимы за рамками принципа неопределенности Гейзенберга. Разумеется, появились и другие теории, приводящие к вполне предсказуемым результатам. Эти теории описывали особые состояния, вызванные «волнами» или вибрацией (отрицательно заряженных) электронов, находящихся в ограниченном пространстве атома около (положительно заряженного) ядра. Последовательные «квантовые состояния» в ограниченном пространстве вызывали поддающиеся определению совокупности различной частоты, которые, как это показал Шредингер в 1926 году, могли быть с точностью вычислены, так же как и соответствующая им энергия («волновая механика»). Такое описание поведения электрона обладало замечательными прогностическими и объяснительными возможностями. В частности, много лет спустя, во время атомной реакции в Лос-Аламосе, при попытке создания атомной бомбы был впервые получен плутоний. Количество плутония оказалось настолько мало, что его свойства не поддавались наблюдению. Однако на основе количества электронов в атоме этого элемента, а также конфигурации девяноста четырех электронов, вибрирующих вокруг ядра, и ничего больше, ученые (верно) предсказали, что плутоний — коричневый металл с плотностью около 2о граммов на кубический '-ачтиметр, обладающий определенной электрической и тепловой проводимостью и эластичностью.

Квантовая механика объясняла, почему атомы (а также молекулы и основанные на них образования более высокого уровня) остаются стабильными или, скорее, почему для изменения их состояния требуется дополнительная энергия. Нередко отмечалось, что даже феномен живого — в частности, структура ДНК и сопротивление нуклеотидов термальным воздействиям при комнатной температуре—основан на базовых квантовых эффектах. Например, одни и те же цветы расцветают каждую весну именно из-за стабильности конфигурации различных нуклеотидов (Weisskopf^, 1980, р. 35—38)-

Но этот великий и удивительно плодотворный прорыв в понимании законов природы стал возможен за счет отрицания всего того, что раньше считалось в науке определенным и адекватным, а также за счет вынужденного отказа от недоверия к абсурдным на первый взгляд представлениям. Все это вы-

5 6 О Времена упадка

зывало беспокойство ученых старшего поколения. Чего стоит хотя бы концепция «антиматерии»,

предложенная кембриджским ученым Полем Дираком в 1928 году. Дирак открыл, что его уравнение имеет решение, только если допустить существование электронных состояний с энергией меньше энергии вакуума. И многие физики с энтузиазмом приняли «антиматерию», совершенно бессмысленную с точки зрения здравого смысла (Steven Wein-berg, 1977, Р- 23—24). Само понятие «антиматерия» подразумевало сознательный отказ от установки, что прогресс теоретических построений обязан считаться с любыми установленными представлениями о реальности: теперь именно реальности приходилось подстраиваться под математические уравнения. Но принять все это оказалось не просто даже ученым, уже давно отказавшимся от убеждения великого Резерфорда, что любую хорошую физическую теорию можно объяснить официантке.