Эпоха крайностей. Короткий двадцатый век (1914–1991)

И как теперь относиться к точности научных наблюдений, если оказалось, что сам процесс наблюдения физических явлений на субатомном уровне изменяет эти явления? Ведь 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 можно 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 новой научной парадигмы, отказавшихся от привычной научной определенности. 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 в любом случае на макроатомном уровне законы Ньютона и Галилея оставались неизменными. Но ученых беспокоило, что они не понимают, как совместить старые и новые теории.

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 сочетания различных частот, которые, как это показал Шрёдингер в 1926 году, можно точно вычислить, так же как и соответствующую им энергию (“волновую механику”). Такая модель поведения электрона обладала замечательной прогностической способностью и многое объясняла. В частности, много лет спустя, когда при попытке создания атомной бомбы в Лос-Аламосе во время атомной реакции был впервые получен плутоний. Количество плутония оказалось настолько малó, 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 только по этим данным, ученые (верно) предсказали, что плутоний – коричневый металл с плотностью около 20 граммов на кубический сантиметр, 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).