Все карликовое население микромира принадлежит к неисчислимым племенам микрокентавров. Кто–то из английских или американских физиков придумал даже занятный термин для микротелец - "уэйвиклс": он соединил слова "уэйв" (волна) и "партиклс" (частицы). Очень выразительный термин. А по–русски его могли бы заменить даже два равнозначных словообразования в духе поэзии Велемира Хлебникова: "волницы" и "частолны".
Не надо объяснять, что все эти волницы или частолны, - заряженные и нейтральные, устойчивые и распадающиеся, прописанные в силовых полях и прописанные в веществе, открытые в атомных недрах и космических лучах, найденные на кончике пера теоретиками и создаваемые на гигантских ускорителях экспериментаторами, - все они, получившие в разное время и в классификациях по разным признакам звучные клички нуклонов, мезонов, гиперонов, лептонов, барионов, адронов, резонансов, фермионов, бозонов, фотонов, гравитонов, кварков, глюонов, - все они, заслужившие звание просто элементарных частиц и античастиц, странных и очарованных, - все они потребовали и поныне требуют для описания их поведения и свойств таких идей и образов, в каких никогда не нуждались долгие века познания природы…
И раньше всего остального надо было физикам создать механику волн–частиц - механику, отображающую эту врожденную двойственность всех "первооснов материи".
Вот что летом 1925 года осознал Нильс Бор, когда на пророчил близящуюся "решительную ломку понятий, на которых до сих пор было основано описание природы".
Но по удивительному стечению обстоятельств он не знал, что тем летом такая предсказанная ломка шла уже полным ходом.
Глава пятая. Идеи и страсти.
1
Теперь, когда приближается кульминация эпохи бури и натиска, слова "удивительно", "странно", "причудливо", кажется, и вовсе не перестанут сходить у нас с языка. А ведь есть в них очевидная нескромность. Мы присваиваем себе право соотносить повадки природы с человеческим мерилом обычного и необычного, будто человек и вправду есть мера всех вещей.
Отчего мы доверяемся этой древней мудрости? Конечно, ее можно по–разному толковать. Но, право же, есть в ней привкус самозванства человека: он объявил себя высшим судьей в делах природы на том единственном основании, что действительно некому возразить. По–видимому, верно, что никто в природе, кроме человека, не способен создавать умопостигаемые и проверяемые модели самой природы. Но опыт человека ограничен. И разве не подчеркиваем мы эту ограниченность, когда обыденно сущее в природе называем причудливым, а естественно происходящее - странным?
Вселенная начала открываться человеку "не с того конца". Точнее, вообще не с конца, а с середины: с вещей и событий земного масштаба. Лишь потом люди смогли заглянуть своими формулами и приборами в дали галактик - в сторону большого - и в глубины атома - в сторону малого.
А примись они за дело познания по правилам разумной очередности, - сначала простое, потом все более сложное, - наверняка ни на одном этапе не возникало бы никакой мучительной драмы идей. Все раскрывалось бы последовательно - по заведенному самой природой порядку. Все узнавалось бы, как при освоении чужого языка, начиная с алфавита: с законов поведения в пространстве–времени элементарнейших первооснов материи. Необъятный том непротиворечивого знания рос бы страница за страницей, без нарушения нумерации, без пропусков и без ссылок на другие источники понимания (вроде всеведущего Провидения). И всего заманчивей, что нашим представлениям о природе удавалось бы обогащаться, не требуя от нас жертв: не надо было бы отрекаться от прежних взглядов и спорить об их применимости. И никто не ведал бы огорчения оттого, что так трудно вникать в самое простое…
И уж если продлить это голубое видение, то оказалось бы, что, скажем, квантовая механика - это арифметика физики, а теория относительности - таблица умножения. То и другое учили бы в школе дети (иные, конечно, без любви, но все без особого труда).
Однако физики пришли в микромир не из его недр. Они ворвались в него извне. Удивительно ли, что примитивные тексты на дощечках с острова Пасхи оказались труднее для понимания, чем вторая часть "Фауста" или полотна абстракционистов?
У физиков одно оправдание (оно же утешение): это сама природа повинна в том, что разумным существам пришлось начать ее изучение с середины. Она сама предопределила макромасштаб для такого существа. Оно не могло бы образоваться на микроуровне бытия материи и явиться туземцем в микромире. Доводов множество. Один из них дает автоматика (или кибернетика).
Можно построить машину, выпускающую в качестве продукции собственные подобия. Но доказано, что такая самовоспроизводящаяся машина обязана обладать высоким уровнем сложности. Простое, конечно, легче воспроизвести, однако процесс воспроизведения своего подобия очень не прост. Простому он недоступен. Вирус, умеющий сотворять вирус, вынужденно являет собою мудреную конструкцию из множества атомов. И с физической точки зрения он - кажется, мельчайший представитель живого - есть уже макротельце. А ему еще нечем мыслить.
Столь виртуозное достижение инженерного гения живой природы, как человек, не могло бы состояться без выхода далеко за пределы микромира. Потому–то как раз благодаря своему совершенству мыслящее существо не может не удивляться элементарным частицам, потому–то они для него причудливые кентавры: "частолны" или "волницы". Это оно, биологическое совершенство человека, лишает его права полагать себя "мерой всех вещей". Не всех!
И это же биоинженерное совершенство заставляет любого из нас заново переживать ту "драму идей", какую первыми пережили в середине 20–х годов создатели механики микромира - механики волн–частиц…
2
Один из них пошутил так:
"Квантовая теория очень похожа на иные победы: месяца два вы смеетесь, а потом плачете долгие годы".
Другой однажды воскликнул:
"Если эти проклятые квантовые скачки действительно сохранятся в физике, я простить себе не смогу, что вообще связался когда–то с квантовой теорией!"
Третий признался в воспоминаниях:
"…Мы начали приходить в состояние полного изнурения, и наши нервы были напряжены до предела…"
Четвертый - впрочем, это был Эйнштейн, а о нем в таком контексте грешно говорить "четвертый", "третий" или "второй" - уже в старости написал Луи де Бройлю:
"Я, должно быть, похож на страуса, который все время прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам".
Шутка о кратком веселье и долгих слезах принадлежала ассистенту Нильса Бора, известному теоретику Гендрику Антони Крамерсу. А проклятья по адресу квантовых скачков - знаменитому Эрвину Шредингеру. А слова о полном изнурении - не менее знаменитому Вер–неру Гейзенбергу, который уверял вдобавок, что полным бывало и "отчаяние из–за непонятности квантовой теории".
Таких свидетельств, психологически нас утешающих, сколько угодно. Без преувеличения: каждый из ветеранов квантовой революции, независимо от его вклада в общий успех, хотя бы однажды выразил те же чувства. Если не в научной статье, то в мемуарном эссе, если не в публичной речи, то в частном письме. И мы уже понимаем: иначе–то и быть не могло!
Пожалуй, лучше других в середине 20–х годов выразил общее умонастроение коллег Сергей Иванович Вавилов. Он начал теми же точно словами, какими впоследствии независимо от него говорил о своем умонастроении Эйнштейн:
"Современному физику порою кажется, что почва ускользает из–под ног и потеряна всякая опора. Головокружительное ощущение, испытываемое при этом, вероятно, схоже с тем, которое пришлось пережить астроному–староверу времен Коперника, пытавшемуся постичь неподвижность движущегося небесного свода и солнца. Но, - довольно неожиданно продолжал свою мысль Вавилов, - это неприятное ощущение обманчиво, почва тверда под ногами физика, потому что эта почва…"
Любопытно, что поставил бы сегодня на место многоточия историк физики? У Вавилова стоит короткое - "факты". Почва тверда потому, что "эта почва - факты". Такое убеждение видится бесспорным.
Еще в 10–х годах нечто похожее сказал однажды Вильям Брэгг. Он уверен был, что рентгеновские лучи - поток частиц, а сам в это время проводил вместе с сыном замечательное исследование волнового поведения - дифракции - этих лучей на кристаллах. Какую же теорию ему следовало исповедовать - корпускулярную или волновую? Самочувствие у него было не из лучших. Теоретическая почва и от него ускользала. "Однако, - написал он тогда Резерфорду, - об этом можно поспорить отдельно: я же дам Вам сейчас факты". Та же интонация, что у Вавилова: прибежище от духовной смуты - надежные факты.
Но приходит невольно в голову, что ведь как раз по причине надежных фактов и возникают духовные смуты - те, что томят исследователей природы. Оттого и появляется ощущение ускользающей почвы, что обнаруживаются неопровержимые факты, на прежний лад необъяснимые.
Так было и с опытом Майкельсона, и с тепловым излучением, и с рассеянием альфа–частиц на большие углы, и с линейчатыми спектрами атомов…
Эти экспериментальные факты, каждый на свой лад, покрывали глубокими трещинами фундамент прежнего здания физики. И для того, чтобы восстановить нарушенную экспериментами цельность физической картины природы, вернуть опоре прочность, понадобились дьявольски проницательные теоретические догадки.
Эйнштейну надо было открыть относительность пространства–времени. Планку - квант действия. Резерфорду - планетарность атома. Бору - квантовые постулаты. Де Бройлю - волнообразность вещества.
Что же обнаруживается? Вовсе не факты, а цемент надежных теорий скрепляет воедино расползающийся под напором новых наблюдений фундамент физического осмысления действительности! И стало быть, скорее с теориями вяжутся слова о твердой почве под ногами физика? Пожалуй, так оно и есть. Да ведь это совершенно понятно: суть и значение фактов раскрываются не раньше, чем они объяснены. И только с этого момента можно на них опираться.
Еще и еще раз вспоминается эйнштейновская мысль, что лишь теория решает, каково содержание наших наблюдений. До этой мудрости каждый мог бы дойти и самостоятельно, задумавшись однажды над подлинным смыслом хотя бы такого достовернейшего наблюдения, что солнце "всходит и заходит". Делает ли оно это действительно - решают не наши глаза, а наше понимание мироустройства. Иначе говоря, теория! Она говорит, что восходы и закаты - знак вращения самой Земли вокруг своей оси, а Солнцу вовсе не приходится для этого эффекта с сумасшедшей скоростью обегать нашу планету.
Глядя из сегодняшней дали в 20–е годы нашего века, потому и хочется изменить окончание вавиловской фразы об ускользающей почве: "…почва тверда под ногами физика, потому что эта почва - надежные теории". Но это если глядеть назад из сегодняшней дали… А ощущалось ли и тогда право на такую замену?
Психологически правота все–таки была на стороне Вавилова: великолепные теории, едва–едва родившиеся, еще не воспринимались как безусловно надежные. И даже напротив того: своими отказами от вековечных истин они–то, эти теории, создававшие твердую почву, вызывали головокружение. Они оставляли место для иллюзии, будто факты сами по себе только и способны крепить фундамент знания. Возможно, тогдашние самоощущения физиков походили на переживания не только астрономов–староверов времен Коперника, но и моряков всех времен после долгого плаванья по штормовому океану: достигнут, наконец, берег, а земля еще ходит и ходит под ногами, точно норовит ускользнуть из–под ног. …Не одна, а целые две механики микромира возникли одновременно в середине 20–х годов.
3
Дабы уж покончить с околичностями и соблазном на каждом шагу удивляться нашей хорошей истории, хочется уступить еще одному искушению.
Селия: О, удивительно, удивительно, удивительнейшим образом удивительно! Как это удивительно! Нет сил выразить, до чего удивительно!
В этой удивительной реплике из шекспировской комедии "Как вам это понравится" не заключалось никакой издевки. Просто Селии нужно было оттянуть момент разгадки происходившего и возбудить до предела догадливое любопытство Розалинды. Что и было достигнуто.
Розалинда: …Каждая минута промедления для меня - целый Южный океан открытий. Умоляю тебя, скажи скорей мне, кто это! Да говори живее. Я бы хотела, чтобы ты была заикой; тогда это имя выскочило бы из твоих уст, как вино из фляги с узеньким горлышком: или все зараз, или ни капли. Умоляю тебя, раскупори свой рот, чтобы я могла упиться твоими новостями!
Кстати, те, кто склонны утверждать, что на свете никогда не бывало ничего нового, могут радостно усмотреть в словах Розалинды намек на квантовый принцип излучения: "или все зараз, или ни капли"! Излучающие атомы так и ведут себя, как заики, по Шекспиру, или как фляги с узеньким горлышком. А Шекспир, стало быть, нечаянно обронил идею квантов ровно на триста лет раньше Планка, ибо его комедия появилась на свет в 1600 году, а Планк сообщил о своем озарении, как мы помним, в 1900–м…
Да, кроме сути дела, было удивительнейшим образом удивительно, что сорокалетний Нильс Бор, признанный глава теоретиков–квантовиков, возвещая летом 1925 года близость "решительной ломки" прежних понятий, не знал, что она уже шла полным ходом. И к тому же с двух противоположных направлений одновременно. И в двух разных уголках Центральной Европы. И вели ее независимо друг от друга два физика, еще не имевших случай даже просто познакомиться на каком–нибудь конгрессе или семинаре.
Тогдашняя неосведомленность Бора проистекала из врожденного свойства любых духовных революций: поначалу они бесшумны и не осознают себя как революции. Поначалу они сами нуждаются в тишине.
Сверх того, неосведомленность Бора объяснялась тем, что в тот момент его одобрения не искали и не жаждали оба "решительных ломателя". Тому была простая причина: он, Бор, предрек близкий переворот в привычных понятиях, едва только уверился в реальности микрокентавров, а те двое - Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг - ни в какую корпускулярно–волновую двойственность электронов, протонов, квантов ни в малейшей степени не верили.
Логически получается, что признание такой двойственности вроде бы вообще было необязательно для успешного конструирования искомой механики микромира? Во всяком случае так казалось обоим. И это было еще одной удивительной чертой в происходящем. Обоим создателям микромеханики рисовались противоположные образы, когда они думали о микрообъектиках, чье поведение старались описать своими формулами.
Один полагал, что физически реальны лишь частицы, а их волнообразность - математическая иллюзия. (Полезная, но иллюзия.) Другой утверждал, что физическая реальность - это лишь волны, а их корпускулярность - математическая ширма. (Удобная, но ширма.) Потому–то они и повели "решительную ломку" с противоположных концов.
Могли ли сойтись их результаты? Ответ пришел в 1926 году.
А начали оба в 1925–м. Кто был первым?
Определить это с криминалистической точностью вряд ли возможно… Да и что принимать за старт научного поиска? Есть верные свидетельства, что Шредингер приступил к делу весной того памятного для физики года. Но не менее надежно известно, что и Гейзенберг начал весной. Правда, есть указание, что Шредингер уже в феврале испытал побудительный толчок к началу своих исканий. Однако и в жизни Гейзенберга тоже был побудительный толчок, относящийся даже к более раннему времени - к 1924 году, когда в Копенгагене шли с неумолчным участием Бора бессонные дискуссии о повадках микромира. Вместе с тем, если уж доискиваться первых прикосновений к эпохальной проблеме, то и про Шредингера следует сказать, что он тоже…
В общем, история - это разъемная матрешка. Но когда она завлекает в свою сердцевину, все неопределенней становятся очертания "начал". А потому не будем до них добираться. И начнем со Шредингера просто из почтительной вежливости: он был на четырнадцать лет старше Гейзенберга и уже профессорствовал, когда тот еще ходил в ассистентах.
4
Шредингер профессорствовал в Цюрихе, где в 1900 году окончил Политехникум юный Альберт Эйнштейн. Там уже гордились "мальчиком из Ульма" - своим бывшим выпускником, которого некогда сами же завалили на вступительных экзаменах. Там теперь, как и всюду, следили за каждой его публикацией. А из–под пера Эйнштейна вышла в начале 25–го года статья с высокой оценкой волновых идей де Бройля.
Незадолго до того Эйнштейн говорил Максу Борну о диссертации француза:
"Прочтите ее. Хотя она может показаться безумной, все в ней солидно обосновано".
А теперь он во всеуслышание объявил, что это работа, "заслуживающая всяческого внимания". И в Цюрихе его голос услышали сразу два видных теоретика: Петер Дебай из Политехникума и Эрвин Шредингер из университета. Оба прочли де Бройля и признались друг другу, что идеи его не поняли. Дебай предложил провести совместный семинар с докладом Шредингера.
Вот так, по–видимому, началась шредингеровская половина эпопеи. Вскоре его осенило нечто большее, чем понимание идеи де Бройля: истинно творческое прозрение.
По одной версии это случилось с ним в горах. В том году, задолго до весны, врачи посоветовали ему покинуть город и на несколько месяцев переселиться в альпийскую Арозу: он страдал болезнью легких. Фрау Шредингер рассказывала потом историкам: "Мы ее любили, эту маленькую спокойную Арозу, и там к нему пришли первые мысли о волновой механике…"
По другой версии не горный покой, а волны цюрихского озера настроили воображение Шредингера на нужный лад. Историку Максу Джеммеру внушали в Цюрихе, что, подобно Архимеду, выскочившему из ванны с криком "Эврика!", Шредингер мог с таким же ликующим восклицанием выскочить из штрандбадской купальни. Там его часто видели летом и осенью 25–го года, и молва уверяла, что там родились идеи волновой механики микромира.
Какая версия правдивей?
Первую Джеммер не упоминает, а вторая кажется ему сомнительной. Она и впрямь слишком уж нарочита, так что отдает сочинительством. Но в ней есть то же достоинство, что в легенде о ньютоновском яблоке: она содержит образ научной проблемы. Падение яблока наглядно выдавало действие непонятной силы. Колебания озерной глади намекали на волновое начало в поведении материи мира.
Бесспорно верно одно (и об этом говорил историкам Петер Дебай): стоило Шредингеру принять за реальность дебройлевские "волны материи", как у него естественнейшим образом возникла мысль: а не должна ли механика микромира быть подобием механики волн? В горной ли тишине Арозы или в шуме цюрихской купальни, но именно эта мысль повела Шредингера к успеху. А к слову сказать, возможно, обе версии верны - горная, как и озерная: дело в том, что трудный путь к успеху Эрвин Шредингер прошел в два приема.
Получилось так, что он дважды (!) дошел до цели. Однако в первый раз решил, что заблудился… Через много лет, в 1961 году, в некрологе, ему посвященном, рассказал об этом другой великий ветеран квантовой революции- Поль Дирак., Он ссылался на собственный рассказ Шредингера. Но приключившееся не оценить, если не вспомнить сначала о цепочке других событий 25–го года. Они происходили не в Цюрихе, и Шредингер о них ничего не знал.