По ту сторону кванта

В начале 20-х годов Макс Борн и Джеймс Франк — физики и Давид Гильберт — математик организовали в Гёттингене «семинар по материи». Его посещали и признанные в то время учёные, и знаменитая впоследствии молодёжь. Почти каждый семинар Гильберт начинал вопросом:

«Итак, господа, подобно вам, я хотел бы, чтобы мне сказали точно: что такое атом?»

^{Глава восьмая}

Сейчас мы знаем об атоме больше, чем все участники семинара тех лет, однако ответить Гильберту мы ещё не готовы. Дело в том, что до сих пор мы узнали довольно много фактов, но нам пока недостаёт понятий, чтобы эти факты правильно объяснить.

Благодаря Нильсу Бору даже сейчас, много лет спустя, при слове «атом» мы непроизвольно представляем себе маленькую планетную систему из ядра и электронов. Только потом усилием воли мы заставляем себя вспомнить, что ему присущи также и волновые свойства. Сейчас, как и прежде, обе идеи — «электрон-волна» и «электрон-частица» — существуют в нашем сознании независимо, и невольно мы пытаемся от одной из них избавиться. «Электрон или волна?» — к этому вопросу в 20-х годах физики возвращались постоянно, стремясь, как и все люди, к определённости.

К началу 1926 года в атомной физике сложилось любопытное положение: порознь и независимо возникли сразу две квантовые механики, исходные посылки которых резко различались. Гейзенберг вслед за Бором был убеждён, что электрон — частица, и свои матричные уравнения написал в этом убеждении. А Шрёдингер смог вывести своё дифференциальное уравнение, только поверив вместе с де Бройлем в волновые свойства электрона.

Гейзенберг требовал, чтобы в уравнения входили только те величины, которые можно непосредственно измерить на опыте: частоты спектральных линий и их интенсивности. На этом основании он исключил из теории понятие «траектория электронов в атоме», как величину, в принципе не наблюдаемую. Шрёдингер тоже не использовал понятия траектории, однако записал своё уравнение для -функции, которая также измерена быть не может и смысл которой даже ему самому оставался пока неясным.

Опыт — последний судья во всех спорах — вначале решительно стоял на стороне матричной механики. В самом деле, Фарадей обнаружил неделимость электрического заряда, и дальнейшие опыты Крукса и Томсона строго это доказали. Таким свойством может обладать только частица. Опыты Милликена и фотографии следов электрона в камере Вильсона устранили последние в этом сомнения.

^{Сомнения}

Однако представления об электроне-частице резко противоречили факту удивительной стабильности атома. Мы много раз подчёркивали, что планетарный атом неустойчив. Именно для того, чтобы объяснить устойчивость атома и в то же время сохранить представление об электроне-частице, Бор и придумал свои постулаты.

Де Бройль и Шрёдингер пошли другим путём и показали, что устойчивость атома наиболее естественно объясняется, если допустить, что электрон — волна, а не частица. Эту гипотезу вскоре подтвердили прямыми опытами Дэвиссон, Джермер и Дж. П. Томсон, обнаружив у электрона способность к дифракции.

Опытам принято верить. Но как поверить сразу двум опытам, исключающим друг друга? Возникшая ситуация в истории физики примеров не имела и была настолько необычна, что вначале никто не подозревал о единстве двух механик, а потому все стремились доказать истинность одной из них и ложность другой. Между сторонниками обеих теорий шли ожесточённые споры: одни отстаивали право первородства матричной механики, другие предпочитали математическую простоту волновой механики. Конец этим спорам положил всё тот же Шрёдингер в начале 1927 года, доказав, что обе механики математически эквивалентны. Для каждого физика это означало, что они эквивалентны также и физически

, то есть что перед ним одна и та же механика — механика атома, но записанная в разных формах. Это означало также, что верны исходные предпосылки обеих механик: представления матричной механики об электроне-частице и представления волновой механики об электроне-волне.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Чем больше учёные узнавали об атоме, тем менее категоричными становились вопросы, которые они задавали природе. Во времена Планка и Эйнштейна хотели знать: «Луч света — это что: волна или поток частиц-квантов?» После работ де Бройля по-прежнему пытались выяснить: «Электрон — что это: волна или частица?» Лишь постепенно и с большим трудом оформилась простая мысль: «А почему или? Почему эти свойства — свойства волны и частицы — должны исключать друг друга?» По трезвом размышлении оказалось, что логических оснований для альтернативы «или — или» нет. А единственная причина, по которой от неё не отказывались, — всё та же инерция мышления: мы всегда пытаемся осмыслить новые факты с помощью старых понятий и образов.