Вероятностный мир // Данин Даниил (часть - 5)

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.

   Суть их можно кратчайше выразить так: в то время рождалось в физике микромира новое квантовое число.

   5

   Раз рождалось новое, значит, были уже старые. А на предшествующих страницах еще не прозвучало ни слова о них. Пора восполнить пробел. Он тем ощутимей, что на долгом пути узнавания квантовых черт микромира открытие каждого квантового числа бывало важной вехой. Уже сравнительно недавно — на рубеже 60–х годов — словарь современной физики обогатился терминами «странность» и «очарование». Это — квантовые числа, каких не знавали в своей молодости ветераны эпохи бури и натиска. Для понимания структуры атома эти числа были не нужны. Они понадобились для описания свойств элементарных частиц, в ту пору вообще неизвестных. Появились в строгой науке демонстративно ненаучные слова.

Вольные слова, чуждые традиции выращивать термины из греческих и латинских корней. В этих новых квантовых числах отразился вольнолюбивый дух физики нашего века, завещанный ветеранами. И отразилась очарованность физиков странностями глубин материи…

   Легко догадаться, что даже самое старое из квантовых чисел было не старше атомной теории Бора. В ней оно возникло в 1913 году. И скоро стало называться главным квантовым числом, поскольку появилась нужда еще и в иных — неглавных.

   Дело совершенно понятное: когда обнаружилось существование прерывистой последовательности устойчивых состояний атома, потребовалось ввести в физические формулы целое число для нумерации таких состояний — 1–е, 2–е, 3–е… n–е… Иначе: потребовалось перечислять ступени на энергетической лестнице в атоме. Или: электронные орбиты — череду возможных вращений электронов вокруг ядра. Все это ведь одно и то же. И естественно, что такое число, нумерующее квантовые состояния атома, еще прежде, чем главным, стали называть «квантовым числом Бора».

   Все бы этим и ограничилось, когда бы скоро не открылось, что у атома гораздо больше разрешенных природой квантовых состояний, чем подметила теория Бора. Не прошло и трех лет, как пришлось вводить в описание атома еще две последовательности целых чисел — для нумерации еще двух серий возможных уровней энергии. (Так, для домов вдоль улицы нужна одна последовательность чисел, для этажей в каждом доме — другая, для квартир на этаже — третья.) Два добавочных квантовых числа уточнили «планетный адрес» вращающихся в атоме электронов — уточнили адреса их орбит.

   Это сделал мюнхенский теоретик Арнольд Зоммерфельд. Некогда напрасно пообещавший виноторговцу в Мозельской долине найти объяснение формулы Бальмера, он восторженно встретил квантовое построение Бора. «Бесспорно настоящий подвиг» увидел он в атомной модели датчанина. И тотчас начал эту модель совершенствовать.

   Физики уже знали: стоит поместить излучающие атомы в электрическое или магнитное поле, как с их спектрами начинает происходить диковинное превращение. Прежние линии расщепляются на две, на три, на четыре… В спектрах появляется «тонкая структура», как было названо это превращение.

   По модели Бора, удивляться тут было нечему: конечно же, и электрическое, и магнитное поле, каждое по–своему, не могли не влиять на движение электронов — заряженных частиц. Лестница уровней энергии в атоме должна была как–то меняться. Расщепление линий наглядно показывало, что главные — боровские — ступени этой лестницы сами становятся маленькими лесенками с двумя, тремя, а то и больше ступеньками. Возникают наборы новых квантовых скачков. Излучение обогащается новыми квантами. По–другому: паутина разрешенных орбит делается гуще. Природа словно бы становится милостивей и предоставляет электронам больше возможностей вращения вокруг ядра.

   Арнольд Зоммерфельд первым расчислил эти новые возможности. Он рассудил так: раз электроны подобны планетам, они движутся не по окружностям, как у Бора, а по эллипсам. И так как они летят с огромными скоростями, без теории относительности их движение описывать грешно. Два неоспоримых уточнения: одно — классическое — по Кеплеру, другое — неклассическое — по Эйнштейну.

   По Кеплеру: на эллиптически вытянутой орбите скорость электрона все время меняется не только по направлению, как это бывает в случае кругового движения, но и по величине. Вдали от ядра скорость одна, вблизи — другая. А по Эйнштейну: если величина скорости меняется, то меняется и масса электрона.

   Получилось, что, описав оборот вокруг ядра, электрон чуть смещается в сторону. Он вяжет вокруг ядра петлю за петлей. Пока он летит по эллипсу своей орбиты, этот эллипс сам вращается — катится по плоскости орбиты. И потому истинный путь электрона — это красивая кривая, называемая розеткой: он очерчивает в полете по контуру многолепестковый цветок, вроде ромашки.

   А можно так рассудить: электрон участвует в двух независимых вращениях. Первое — вращение по орбите — квантуется: не любые орбиты разрешены, а только прерывистая их череда. Второе — вращение самой орбиты — наверное, тоже квантуется: лепестки ромашки не могут быть какими угодно — разрешенные природой, наверное, тоже образуют прерывистую последовательность. И для их нумерации тоже надобна последовательность целых чисел: 1, 2, 3… k.

   Но это не все. Атом — объемная вещь. Лишь электронные орбиты плоские, а сам он — трехмерная конструкция. И пока электрон летит по эллипсу, а эллипс катится по плоскости орбиты, эта орбитальная плоскость может поворачиваться в пространстве.

   Третье независимое вращение, в котором невольно участвует электрон. Очевидно, и оно квантуется: не все положения орбитальной плоскости допустимы, а лишь пунктирный их ряд. Это напоминает чередование спиц в колесе. Их тоже надо пересчитывать. Необходима третья последовательность целых чисел: снова — 1,2, 3… m.

   Так возникли в квантовой теории атома, сверх главного квантового числа Бора, два дополнительных квантовых числа Зоммерфельда. Он назвал их «внутренними». И сразу удалось верно описать тонкую структуру атомных спектров!

   …Был год 1916–й. Шла уже мировая война. Кровавая империалистическая бойня закрыла границы европейских государств. Но Резерфорд рычал в коридорах манчестерской лаборатории, что «этой чертовой войне не удастся оставить физику в дураках». И там, в Манчестере, Нильс Бор написал немцу Зоммерфельду запретное письмо, выражая восхищение его работами, которые тоже запретными путями дошли тогда из Баварии в Англию. А потом Зоммерфельд получил письмо и от Эйнштейна:

   «…Ваши спектральные исследования принадлежат к разряду самого прекрасного, что я пережил в физике».

   Однако таинственным оставалось, почему микромир устроен так, что периодические движения в атоме — вращения и колебания — обладают странным свойством квантуемости. Именно в том письме к Зоммерфельду содержалось уже знакомое нам восклицание Эйнштейна в духе обычной для него пленительной полушутливости: «Если бы я только знал, какие винтики использует при этом господь бог!»

  Природа (эйнштейновский господь бог) молчала. Она всем и каждому открыто демонстрировала свои законы, но никому не помогала их понять.

   6

   Среди тонкостей тонкой структуры спектров была одна, которая все–таки не поддавалась расшифровке. Ее издавна окрестили аномальным эффектом Зеемана. Даже квантовых чисел Зоммерфельда было явно недостаточно, чтобы описать происходящее.

  Случалось так, что в магнитном поле желтая линия натрия, например, расщеплялась на четыре, на шесть близких линий. В атоме бесспорно скрывались еще какие–то — пока неучтенные! — квантовые возможности: занумерованных тремя числами энергетических ступенек в атоме не хватало для верной картины.

   Год за годом решение не давалось одареннейшим теоретикам. Один из них — всеми почитавшийся гением — впоследствии вспоминал, как в 1923 году он, работая у Бора в институте, сделался мучеником этой проблемы:

   «…Коллега, встретивший меня, когда я бесцельно бродил по прекрасным улицам Копенгагена, дружески сказал: «Вы выглядите очень несчастным». На что я пылко ответил: «Как может выглядеть человек счастливым, если он думает об аномальном эффекте Зеемана?»

   Пылкость ответа объяснялась молодостью несчастливца: он был ровесником века — ему исполнилось тогда всего двадцать три. Звали его Вольфганг Паули.

   Он отличался редкостной самонадеянностью. К счастью, она была прямо пропорциональна его редкостным способностям. Когда ему было девятнадцать, он однажды после эйнштейновской лекции в Мюнхене объявил вслух: «Знаете ли, то, что нам сейчас сообщил господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо…» Но еще большей известностью, чем эта незабвенная фраза, пользовалась его большая статья о теории относительности. Эйнштейн говорил, что начал тоньше понимать собственную теории после работы юного Паули.

   Так вот, той самой весной 25–го года, когда Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг вынашивали свои варианты механики микромира, Вольфганг Паули решился на отчаянное признание в письме к одному, еще более юному, теоретику:

   «…Физика слишком трудна для меня, и я жалею, что не сделался комиком в кино или кем–нибудь в этом роде, лишь бы никогда и ничего не слышать больше о физике».

   Психологически это тем неожиданней, что как раз той же весной он опубликовал историческую работу, содержавшую ключ к решению истомившей его загадки Зеемана.

Десятилетие спустя после Зоммерфельда Паули нашел, наконец, новое квантовое число.

   Он открыл в микромире еще одну черту квантовой прерывистости. Он догадался, что она, эта черта, свойственна не атому в целом, а каждому электрону в атоме. И он назвал ее «двузначностью электрона». Абстрактно. Без всякой модели. Без каких–либо попыток изобразить такую двузначность.

   Ему важно было лишь одно: квантовые возможности микромира по меньшей мере удваивались… Лестница разрешенных уровней энергии в атоме еще усложнилась…

Аномальное расщепление спектральных линий поддалось правильному описанию… А заодно и многое другое стало доступно теоретическому оправданию.

   Так не открыл ли Паули новый тип вращения электрона? Это ведь казалось необходимым для квантования. Но мысль о зримом — классическом — образе для любого квантового явления была глубоко враждебна Паули. Когда Вильям Брэгг–старший пошутил, что модель Бора предложила физикам три дня в неделю следовать классическим законам, а три дня — квантовым, он хотел сказать, что логически это недопустимо. Никто не сознавал этого лучше, чем сам Бор и его ассистенты. В их числе — Паули. Но как перейти на полную квантовую неделю, никто не знал.

   Не потому ли, несмотря на собственный громадный успех, достигнутый той весной, Паули все–таки написал юному коллеге, что завидует участи комика в кино? Пока он требовал изгнания из квантовой физики классических образов. Его острого критического языка побаивались другие. Он бывал неумолим. Но, как это видно, и к себе тоже.

   А юный коллега, которому он адресовался тогда, — это был двадцатилетний американец Ральф Крониг, — как раз только что принял грех на душу: узнав о «двузначности электрона», он сразу же предложил для этой двузначности полуклассическую модель.

   Он нашел для электрона еще одну форму вращения: на сей раз не вокруг атомного ядра, а вокруг собственной оси. Так вращаются и планеты. А провозглашенная Паули двузначность имела у Кронига тот смысл, что и это вращение квантуется: если засечь какое–нибудь положение оси электрона, то вторым возможным положением будет только прямо противоположное. Остальные запрещены. Электрон похож на странный компас, чья магнитная стрелка умеет показывать лишь юг и север, или запад и восток, или северо–запад и юго–восток… Вот и двузначность! Проделав нужные вычисления, Крониг тотчас получил верную формулу для раздвоения спектральных линий.

   Однако Паули сказал, что все это — «остроумная выдумка», не более того. Модель Кронига он отверг. А потом и Бор отверг. И другие. Завязался драматический сюжет — один из самых известных в нашей хорошей истории.

   Ральф Крониг, слишком юный и слишком неопытный, сдался. Он не осмелился послать свою работу в печать. Среди неодолимых возражений против его модели было очень понятное нам.

   Если ось вращения электрона походила на магнитную стрелку компаса, то сам он походил на быстро крутящийся волчок. В этом еще не было беды. Но получалось, что он должен крутиться чудовищно быстро. Так быстро, что участочкам на периферии электрона — волчка с радиусом порядка 10–13см — приходилось описывать круги со сверхсветовой скоростью. А этого не дозволяла теория относительности.

   Тем не менее в том же 1925 году к модели вращающегося электрона пришли, кажется, вполне независимо от Кронига, два столь же молодых голландских теоретика — С. Гоудсмит и Г. Уленбек. Они работали в Лейдене.

   Там уже больше десятилетия занимал кафедру постаревшего Лоренца замечательно человечный человек — видный теоретик Пауль Эренфест. Впрочем, у нас его, выходца из Вены, называли чаще Павлом Сигизмундовичем: еще до первой мировой войны он пять лет жил и работал в России. Сердечные отношения связывали его с академиком Иоффе и многими нашими физиками. Был он близким другом Эйнштейна и Бора. В истории квантовой революции, пожалуй, никто, включая даже Вольфганга Паули и Льва Ландау, не заслужил такой доброй славы «творческого критика», как Эренфест. Суть в том, что критика его всегда бывала не только проницательной, но и доброй.

   Разумеется, взбудораженные своей идеей, молодые голландцы пошли к Эренфесту. Их не остановило то, в чем позднее признался Уленбек:

   — …Наш энтузиазм в значительной мере остыл, когда мы обнаружили, что скорость вращения на поверхности электрона должна во много раз превышать скорость света!

   Эренфест сказал, что «это либо очень важно, либо чепуха». Он повелел юнцам написать короткое письмо в научный журнал. Они послушались — сочувствие всегда ободряет. Но потом, уже передав профессору письмо, они, как и Крониг, погрузились в обезволивающие сомнения. Через тридцать лет, в 1955 году, принимая кафедру Лоренца — Эрейфеста, Уленбек вспоминал:

   — Мы с Гоудсмитом почувствовали, что, быть может, лучше пока воздержаться от публикаций, но когда мы заговорили об этом с Эренфестом, он ответил: «Я уже давно отправил ваше письмо в печать. Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость!»

   В результате именно с их именами навсегда связалось введение в физику микромира нового понятия спин (буквально — «вращение»). Вместо бесплотной «двузначности электрона» оно стало названием четвертого квантового числа.

   На долю Кронига достались только запоздалые сожаления, как печалился он много лет спустя. Ему не посчастливилось, что первым судьей своей идеи он выбрал автора двузначности: Паули сам был в ту пору слишком молод, чтобы поступить, как Эренфест.

Максимализм молодости, а не только характера, усугублял его решительное неприятие наглядных моделей для квантовых странностей в природе. Он самому Бору, которого глубочайше почитал, дважды наговорил в том году кучу невежливостей, а все потому, что Бор начал склоняться к признанию модели Кронига—Гоудсмита—Уленбека.

   Вообще–то Паули не ошибался: явление было чисто квантовым и классическому описанию не поддавалось. Оттого и возникали в модели спина невозможные сверхсветовые скорости. Но, как и образ электронов–планет на классических орбитах, условный образ электрона–волчка хорошо служил теории. И через год сам Паули вынужден был согласиться с этим— вынужден!

   Теоретик и историк, да к тому же строго мыслящий математик, Ван дер Варден написал впоследствии, что «нет оснований упрекать Паули» — упрекать за то, что он обрек Кронига на сожаления. Сухо логически — оснований нет. Но наука развивается вовсе не сухо логически. Эренфест поступил рискованней и человечней. И в конце–то концов оказался более правым перед лицом истории физики.

   С другой стороны, Паули и сам в ту пору заслуживал сочувствия, разве не так?

   За три года до тех событий, он — двадцатидвухлетний — был приглашен Нильсом Бором поработать в Копенгагене. Свидетели запомнили, как с великолепно небрежной самоуверенностью этот не по возрасту располневший рыцарь чистоты теории ответил Бору:

   — С физикой трудностей у меня не будет, а вот что меня действительно страшит, это — датский язык!

   А теперь самоуничижительные слова: «…физика слишком трудна для меня»! И объяснение Кронигу, почему трудна: «Физика теперь снова загнана в тупик…»

   Снова? А когда же это бывало прежде? Да ведь в точности те же слова, нам уже хорошо знакомые, произнес Лоренц на 1–м конгрессе Сольвея в 1911 году — накануне создания теории Бора. А до того те же чувства испытывал Эйнштейн — накануне создания теории относительности. А еще раньше Планк — накануне создания теории квантов. А до того…

   «Я бы не удивился, если бы узнал, что аналогичные настроения преобладали в период, предшествовавший появлению механики Ньютона».

   Рассказывая о своих злоключениях в истории вращающегося электрона, эти слова написал Ральф Крониг. А был тогда, весной 25–го года, канун появления механики микромира. Все повторялось с регулярностью психологического закона.

 7

   Долечиваясь весною в тихой горной Арозе, а летом и осенью сиживая в купальне на Цюрихском озере, Эрвин Шредингер избегал всяких отвлечений — даже научных — от поисков механики волн материи. Он ничего не знал о рождении нового квантового числа.

   И был наказан за свою неосведомленность. Однако же весьма необычным образом…

   ..Когда Бор спасал планетарную модель, он шел по совету Резерфорда от простейшего атома — водородного. И Шредингер, отыскивая механику дебройлевских волн, поступил точно так же.

   Хотя нет у атома стенок–границ и всякая волна в принципе безгранична, волнообразный электрон попадает на разрешенной орбите в ловушку: он, как это видел уже де Бройль, устойчиво движется по такой орбите оттого, что волна его умещается в ней целое число раз.

   Целое число раз… Это давало надежду вывести квантование орбит — появление прерывистой их череды — из классически непрерывного движения электрона–волны. Шредингер начал строить нужное для дела волновое уравнение.

   Волновое уравнение… Это означало, что его решения, если графически изобразить их, будут волнами в пространстве атома. Некая величина, символически описывающая состояния атома, будет волнообразно меняться от точки к точке, от момента к моменту.

   Эта величина своей изменчивостью будет отражать изменения атомных состояний. И если уравнение удастся построить хорошо, его решения отобразят всю смену состояний устойчивых, когда атом не излучает энергии, и все переходы между такими состояниями, когда энергия излучается квантами. Иными словами, решения волнового уравнения будут в согласии с атомными спектрами. А по–другому: в согласии с наборами известных квантовых чисел.

   Эту «некую величину», меняющуюся волнообразно, математически понятную, а физически покуда довольно таинственную, Шредингер захотел обозначить не слишком затасканной буквой греческого алфавита. Он выбрал «пси» (ψ). Верилось ли ему, что вскоре она станет самым частым и непременным гостем на страницах всех статей и книг по физике микромира?

Возможно.

   Он был глубочайше убежден, что внутриатомная механика должна быть механикой волновой. Он в ту пору написал однажды:

   «…Движущаяся частица есть не что иное, как пена на волновой радиации, образующей материю мира».

   Уж не волны ли Цюрихского озера шепнули ему эту колдовскую фразу?! У нее было физическое оправдание — правда, недостаточное, но было. Когда под ветром то тут, то там вздыбливался на поверхности озера пенный гребешок, это показывало, что водяные волны разной длины и разной высоты удачливо наложились одна на другую: вблизи гребешка они взаимно погасились, а в том месте, где он поднялся, взаимно усилились. Сформировался движущийся «волновой пакет». Этот термин физики давно уже придумали, изучая интерференцию волн.

  Отчего же не допустить, что электроны, да и все микрокрупицы вещества, это пакеты интерферирующих волн материи? Тогда — никакой двойственности волн–частиц! На самом деле есть лишь волны–волны. И только непрерывность! Это была любимая мысль — надежда Эрвина Шредингера.

   Меж тем волны Цюрихского озера с полной очевидностью демонстрировали ненадежность образа волновых пакетов: пенные гребешки скоро сникали. Сформировавшие их волны, двигаясь каждая на свой лад, неизбежно расползались. И даже математически волновые пакеты являли собою нестойкие образования. Из них нельзя было бы смастерить долговечное вещество мира. Разве что пену…

   Так, и шредингеровские «пси», и дебройлевские волны материи, как бы ни накладывались они друг на друга, для создания частиц не годились. Однако Шредингер думал: «Со временем как–нибудь все устроится…» Один физик уверял историков, что Шредингер не только думал, но и говорил это вслух. Истинное понимание физического смысла «пси» пришло позднее. И помимо Шредингера. Оно пришло, когда его знаменитое уравнение уже хорошо несло службу в механике микромира.

   А как могло оно хорошо нести свою службу, если так плох был замысел автора?

   Да ведь плохим было одно: натурфилософское желание вернуть картине природы нерушимую непрерывность и ради этого постараться все сотворить из волн.

   Преувеличивалась их возможная конструктивная роль. Но сами «волны материи» были правдивым физическим образом того, что действительно наблюдалось в природе. Изгонялась мысль об электронах–частицах, но они сами сохранялись под волновым псевдонимом «пены».

   Шредингер предавал анафеме квантовые скачки по энергетической лестнице в атоме. (Мы уже слышали и еще услышим эти его проклятья.) Но он же нашел волновое оправдание для квантовых чисел, нумерующих скачкообразную череду ступеней и ступенек на этой лестнице.

   Короче, все, что с натурфилософской пристрастностью отвергалось автором как негодное, с математическим бесстрастием прекрасно описывалось его уравнением. Оттого оно и сразу начало исправно служить физике.

   Впрочем, не сразу… Точнее, не сразу оно приняло у Шредингера исправную форму. А случилось это как раз из–за того, что он не был осведомлен о спине. Ирония истории: именно тогда, когда высокообразованный исследователь рассчитывал стереть с картины микромира все пунктирные черты, неожиданно открылась в этой картине еще одна черта квантовой прерывистости — двузначность электрона. А он этого не знал. И потому не смог этого учесть.

   Очевидно, когда он спускался из альпийской Арозы в летний Цюрих 25–го года, у него уже было с собой искомое уравнение в первом варианте. Или — метод его построения. Впоследствии Поль Дирак услышал от него, что он

   «…немедленно приложил свой метод к движению электрона в водородном атоме, должным образом приняв во внимание формулы теории относительности для такого электрона… Результаты вычислений не сошлись с данными наблюдений… Он был глубоко разочарован, умозаключил, что метод его непригоден, и оставил этот метод».

   Оставил! Судьба волновой механики в тот момент повисла на волоске. Потому на волоске, что метод–то был совершенно пригоден, и физика непростительно задержалась бы в пути, если б Шредингер оставил свой метод совсем. Причина неудачи крылась в другом, и он просто не мог еще ее распознать.

   Он полагал, что «должным образом» принял во внимание теорию относительности. Между тем для того, чтобы сделать это и вправду должным образом, надо было, кроме эффекта огромной скорости электрона, принять во внимание и его собственное вращение — его спин.

   Отчего и как… — это из разряда подробностей, неподвластных нашему рассказу. А показал «отчего и как» именно тот, кому Шредингер позднее исповедался в своей временной неудаче: Поль Дирак. В 1928 году Дирак совершил теоретический подвиг, равный шредингеровскому, создав релятивистское уравнение для квантовой механики.

   …Да, Шредингеру удалось совершить свой подвиг только в два приема. К счастью, первое разочарование не обезволило его. Слишком дорога была ему руководившая им идея.

   Миновало лето 25–го года. А потом и осень. О новой квантовой черте в микромире он по–прежнему ничего еще не ведал. Но как–то невзначай, вернувшись к своим выкладкам, он вдруг заметил, где оступился… Он увидел, что рано было вводить в дело теорию относительности — чего–то для этого недоставало. И он попробовал ускромнить задачу: решить ее с меньшей точностью, чем ему хотелось сначала. Как только он это сделал, пришло согласие уравнения с опытом.

   То был случай, когда прекрасное и впрямь оказалось врагом хорошего… Так, легко вообразить, что в 13–м году мог заблудиться Нильс Бор, попытайся он с первого шага следовать механике Эйнштейна. Он обнаружил бы, что в планетарном атоме вовсе нет круговых орбит, а электрон вычерчивает сложную розетку. Ясный образ лестницы уровней энергии, согласных с формулой Бальмера, мог бы неузнаваемо исказиться. И глубокое разочарование могло бы постигнуть его на самом пороге великого открытия… В преждевременном стремлении к полной правде строения атома он упустил бы неполную, но решающе главную конструктивную правду, не замутненную подробностями. Говорят, Резерфорд любил латинскую пословицу: «Спеши медленно!»

   Итак, со второй попытки Шредингер получил к концу 25–го года замечательно работоспособное — хоть и не исчерпывающе истинное — волновое уравнение. Тогда он уселся за серию публикаций.

   Первая из них поступила в редакцию «Анналов физики» 27 января 1926 года. Без малого год прошел с того незафиксированного в истории дня, когда два цюрихских профессора признались друг другу, что не поняли идеи де Бройля и договорились обсудить на семинаре диссертацию француза. А теперь волновой механике, построенной одним из них, предстояло вскоре обрадовать сердца всех, кто чувствовал себя «как в тупике».

   Фантастично, что той радости словно бы и не мешала тьма, покуда окружавшая открытые Шредингером пси–волны.

   8

   А второй из ведущих создателей механики микромира, молоденький Вернер Гейзенберг в отличие от своих сотоварищей и учителей не только не почувствовал радости, но пережил смятение, когда весной 26–го года впервые узнал об успехе Шредингера.

   Так и просится с языка догадка: соперничество — ревность! Но нет, в нашей хорошей истории все бывало, как правило, психологически тоньше и неожиданней.

   Свой вариант квантовой механики Гейзенберг, начав почти одновременно со Шредингером, нашел раньше. И раньше опубликовал — еще в 1925 году. Его чувство первенства не могло быть уязвлено. И не могла ему явиться мысль, что цюрихский профессор сделал нечто лучшее — так разительно отличались их теории. Геттингенский доцент был в смятении по причине внезапного подозрения: «Мы оба безнадежно заблудились…»!

   Оба! Вот, что его ужаснуло. Ибо тогда — все вздор.

   Так выразил он свое тогдашнее чувство десятилетия спустя в беседе с Томасом Куном. Откуда же взялось это чувство?

   Надо вернуться к весне минувшего 25–го года, но перенестись при этом из швейцарского Цюриха в немецкий Геттинген. Как болезнь легких погнала Шредингера в горы, так иное недомогание погнало Гейзенберга к морю. Точно ради симметрии, обстоятельства и для него создали уединение.

   Пора весеннего цветения отозвалась на нем острым приступом сенной лихорадки. Распухшее лицо. Воспаленные глаза. Его геттингенский шеф Макс Борн без колебаний разрешил двадцатичетырехлетнему юнцу внеочередной отпуск. И посоветовал ему бежать на скалистый остров Гельголанд с целительным морским ветром, где голые камни не источали цветочной пыльцы.

   Покатые валуны… ревущий прибой… пенные гребни… Право же, у Северного моря было еще больше шансов, чем у Цюрихского озера, настроить ищущую мысль на волновой лад. Но Гейзенберг искал в ином направлении. А потому иными глазами видел прибрежный пейзаж: обрывы скал… провалы в морской пучине…

   Он думал об электроне–частице. И квантовые прерывности принимал за данность природы: ни в каком оправдании посредством непрерывных волн они для него не нуждались. Квантовые скачки не отпугивали его своей необъяснимостью. Так же не отпугивали, как и Вольфганга Паули, чьим приятелем был он со студенческих лет в Мюнхене.

   Оба учились у Арнольда Зоммерфельда, любившего «квантовые волшебства в спектрах». И, может быть, он внушил им свою былую неприязнь к «частным моделям». А заодно внушил и свою пифагорейскую страсть к гармонии квантовых чисел, которую в Мюнхене иронически называли «атомистицизмом».

   Но оба выдающихся погодка — Гейзенберг был на год младше Паули — в несравненно большей степени считали себя духовными учениками Нильса Бора. К 25–му году оба успели поработать у него ассистентами в Копенгагенском институте. Оба успели почувствовать и то, что Зоммерфельда заботила, как он сам говаривал, «техника квантов.», и то, что Бор погружен был в поиски «философии квантов». Громадная одаренность помогла обоим юношам выше оценить второе.

   Гейзенберг приехал в Геттинген после зимы в Копенгагене. Он переполнен был волевою жаждой решительной ломки прежних понятий, как сформулировал это чуть позднее Бор. И, отправляясь в гельголандское уединение, уже знал, что хотел найти…

   Простой была его исходная мысль: не должна ли механика микромира оперировать только наблюдаемыми величинами?

   Почему только наблюдаемыми? А потому, что есть в этом странном микромире величины, принципиально не поддающиеся наблюдению. Пытаться включать такие величины в описание тамошних событий бесцельно: описание будет бесконтрольным. Хуже того, физически бессодержательным, ибо останется неизвестным, что же при этом описывается.

   Квантовые скачки — главные события во внутриатомной механике. Но они — явные нарушения в непрерывности движения электронов. И потому заранее обречены на неудачу попытки описывать на традиционный лад — как перемещения во времени и пространстве — эти электронные скачки. Впрочем, нисколько не лучше обстоит дело и с орбитальным движением электронов.

   Допустима поясняющая параллель.

   Когда в классической астрономии речь идет о планетных орбитах, астрономы знают, о чем они говорят: движения освещенных Солнцем планет наблюдаемы. И величины в формулах доступны измерению. А когда физики–атомники говорят об электронных орбитах, их выручают лишь рассуждения по сходству: сами эти орбиты наблюдению неподвластны.

Осветить и засечь электрон в полете нельзя: падающие на него кванты, соизмеримые с ним по массе, сразу собьют его с пути, и дальше нечего будет измерять. Так и небесная механика потеряла бы достоверность и стала беспомощной, если бы потоки солнечного света были способны сталкивать планеты с предписанных этой механикой небесных дорог.

   Гейзенберг полагал, что с ним заодно история физики XX века. Разве не отказался Эйнштейн признавать абсолютное время — единое для всех движущихся тел — именно потому, что никакой эксперимент, даже мысленный, не мог бы доказать его существования?! Нет Времени, а есть времена. Все они относительны, связаны с движением тел. Только ими и должна оперировать истинная механика.

   Резерфордовский образ электронов–планет, возможно и даже наверное, не более чем иллюзия. Что наблюдаемо? Лишь то, что атом изменяет свою энергию прерывисто. Эта прерывистость ручается за существование в атоме лестницы разрешенных природой уровней энергии. О недробимых скачках по этой лестнице свидетельствует испускание света целыми порциями: квантами. Вот необманное знание.

   Что при этом доступно измерению? Частоты и амплитуды колебательных процессов, каким–то образом происходящих в атомах и порождающих кванты излучения. О частотах и амплитудах спектральные линии рассказывают своим цветом и своей яркостью. Частоты сообщают об энергии квантов: чем выше частота, тем энергичней квант. Амплитуды сообщают о вероятностях испускания квантов: чем размашистей амплитуда, тем больше вероятность испускания. (Оттого и яркость линии сильнее.) Вот необманные величины.

   Наборы таких наблюдаемых величин дают достоверную информацию о важнейших происшествиях в жизни атома — о квантовых переходах между устойчивыми его состояниями… Не с этого ли надо начать построение механики микромира?

  Так решил Гейзенберг. Точнее, так можно оголить до предметно понятной схемы суть его замысла.

   Еще до того, как полетела цветочная пыльца, он принялся по–своему строить теорию атома. Разумеется, как и Бор, как и Шредингер, простейшего атома: водородного. Но в Геттингене у него ничего не вышло. Сначала он заблудился.

   По–видимому, это случилось с ним в точности тогда же, когда и Шредингер заблудился в весенней Арозе. (Историки могли бы уточнить это прелюбопытнейшее совпадение.) Но причины их осечек были даже внешне несхожи. Шредингер не знал о существовании нового физического факта. А Гейзенберг не ведал о существовании старого математического аппарата для исчисления таких величин, как пунктирные наборы наблюдаемых переменных.

   Физика подобными вещами не занималась. Ее прежний опыт помочь молодому теоретику не мог. Оставалось взяться за поиски нужной формы для записи математическими символами этих наборов. И оставалось изобрести способ ими оперировать. Гейзенберг за это и взялся.

  Макс Борн потом восхищенно говаривал примерно так:

   — Каким талантливым невеждой надо было быть, чтобы не знать подходящего раздела математики и самому создать пригодный математический аппарат, раз уж он тебе понадобился!

   Еще до бегства на Гельголанд Гейзенберг нащупал основу.

  В принципе возможны квантовые переходы между любыми двумя уровнями энергии в атоме. Значит, следовало в единой записи охватить все мыслимые квантовые скачки по энергетической лестнице. Это походило на задание — дать форму для записи всех результатов турнира, когда каждый играет с каждым. Тут участники турнира — стационарные состояния.

Они занумерованы квантовыми числами. Результаты матчей между ними — испускание или поглощение квантов.

   Годится квадратная турнирная таблица для отражения сразу всех возможностей. Одна таблица для частот. Другая таблица для амплитуд.

   Уже на Гельголанде случился день — море, уединение, тишина, — когда впереди замаячило решение. Потом наступил вечер. Почти через сорок лет Гейзенберг рассказал историкам:

   — Я пришел в невероятное возбуждение, потому что увидел, как отлично все получается… Я работал всю ночь, делая ошибку за ошибкой в арифметических подсчетах. («Беда мне с вами — не умеете вы считать!» — заметила бы и ему берлинская кондукторша.) Моя взбудораженность не имела предела, а уже занималось утро… Возбуждение погнало меня к одной из гельголандских скал… Я чувствовал: «Сейчас случилось что–то важное!»… Ну а потом я принялся писать статью.

   Был час, когда все показалось ему ерундой. Он увидел, что в алгебре квадратных таблиц не всегда соблюдается извечный закон: A, умноженное на В, равняется В, умноженному на A. В делах природы эта перестановочность умножения всегда почиталась самоочевидной. А тут при перемножении разных наблюдаемых величин обнаружилось, что их нельзя безнаказанно поменять местами:

   AB ≠ BA.

   «Это встревожило меня ужасно», — говорил Гейзенберг. В тот час, как той же весной в Арозе, будущее механики микромира повисло на волоске. Только Гейзенберг в отличие от Шредингера не забросил свой метод «на несколько месяцев», как сознался Шредингер Дираку.

И потому на эти несколько месяцев гейзенберговский вариант квантовой механики опередил шредингеровский.

   Ужаснувшись неравенству АВ ≠ ВА, юнец успокоил себя с необъяснимой, но спасительной беззаботностью:

   — …Я сказал себе: «К счастью, мне не понадобится такое умножение, к счастью, это не очень существенно».

   У него и тени догадки не было, что это–то и окажется сверхсущественным. Не посетила его мысль, что за этой–то вопиющей несообразностью, быть может, скрывается едва ли не самая нежданная из неклассических закономерностей природы!

   Беззаботное самоуспокоение сыграло на редкость положительную роль. Вопреки тревогам здравого смысла, он продолжил работу и после возвращения с Гельголанда. Не раз в июньском Геттингене его вновь одолевало смущение. И не раз появлялось желание «бросить в огонь» трудно дозревающую статью. Но и с этим он справился.

   Не умел он справиться с другим — с боязнью показать написанное Максу Борну или послать Нильсу Бору. Первый в духе геттингенской школы всегда требовал надежной математической строгости. Второй в духе школы копенгагенской — надежной физической обоснованности. (Так говорил историкам сам Гейзенберг.) А тут еще недоставало ни того, ни другого. Но все–таки хотелось чужого глаза и дружеской критики.

   В начале июля он отправил свою работу Вольфгангу Паули в Гамбург. В его взбудораженной душе звучало нечто похожее на эренфестовский мотив: «Разве мы с тобою, старый приятель, еще не достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость?»

   Суд Паули на сей раз оказался милостивым. Это тем более примечательно, что он, со своей стороны, вовсе не целиком разделял взгляды старого приятеля.

   «Есть в атомном мире гораздо больше наблюдаемых величин, чем это снилось гейзенберговской философии».

   Так впоследствии выразил точку зрения Паули ассистент Бора Леон Розенфельд. Что же обольстило непримиримейшего критика?

   А то обольстило, что Гейзенберг отважился на полный разрыв с традициями классического описания движений в микромире! Паули увидел пролом в тупике. И у него тотчас пропала зависть к участи комика в кино. Осенью 25–го года он написал Кронигу иные слова, чем весной: «Механика Гейзенберга вернула мне радость жизни и надежду».

   Ну а нам как понять, откуда черпала эта механика истинность, если явно не было истинности в исходной позиции геттингенского доцента? Он ведь не собирался считаться с двойственностью микрокентавров. На иной лад, чем цюрихский профессор, но тоже не собирался. Тому претило думать о корпускулярности волн, а ему — о волнообразности частиц.

   На счастье, и тут отдавалась лишь дань одностороннему натурфилософскому пристрастью. А самой природе и Гейзенберг не изменял. Изгоняя волны, он держал в уме «кое–что колеблющееся» в атоме: без этого не имели физического смысла частоты и амплитуды. А где колебания, там и волны. Это образы–близнецы. Оба знаменуют непрерывную периодичность. Стало быть, в дополнение к прерывистости квантовых скачков прокрадывалась в построение Гейзенберга и черта непрерывности.

   Так и у этого варианта механики микромира были все шансы верно служить познанию природы.

   После одобрения Паули Вернер Гейзенберг дал, наконец, свою работу шефу. Но на всякий случай сказал: «Ладно, делайте с нею все, что сочтете нужным».

   Макс Борн в тот же день ее прочитал. Это было нелегко. Ему подумалось, что она «выглядит весьма мистически, но несомненно истинна и глубока». Так написал он Эйнштейну, а статью отправил со своим благословением в печать. Однако и ему не давала покоя нелепая формула AB ≠ BA... Ему мерещилось что–то издавна знакомое, а что это было — не шло на ум.

   Потом он многократно рассказывал, варьируя подробности:

   — …Однажды утром я прозрел: вспомнил алгебраическую теорию, которую изучал еще в студенческие годы. Такие квадратные таблицы были хорошо известны математикам. В сочетании с особым правилом умножения они носили название матриц. И я увидел, что гейзенберговское умножение было не чем иным, как элементом матричного исчисления. Теперь можно было продвигаться дальше. Я был взбудоражен, как моряк, увидевший после долгого плавания желанную землю…

   (Еще одна взбудораженность после еще одного уныния. Еще одна радость после еще одного отчаяния. Эти постоянные наши спутники не оставят нас до конца повествования.)

   А Гейзенберг в те июльские дни 25–го года был в Кембридже — в резерфордовской лаборатории, куда приехал с лекциями. И он не знал, что его механика тем временем получила крещение как «матричная механика». Этого слова еще не было в его собственном словаре, когда 28 июля он — кажется, впервые на людях — докладывал о своей теории в Клубе Капицы.

   Усевшись, как повелось, на полу вокруг камина, это вольное содружество молодых физиков, созданное тридцатилетним Петром Капицей, с неутолимым интересом слушало первый набросок механики микромира. Интерес был неутолимым совершенно буквально: утолить вопросы и недоумения слушателей автор еще не мог. И прежде всего недоумение по поводу физического смысла странной неперестановочности умножения…

   А тот, кто открыл квантовые скачки, Нильс Бор, узнал о совершившейся «решительной ломке» лишь в сентябре 25–го года. Он получил тогда письмо от Гейзенберга:

   «…Я сочинил одну работу по квантовой механике, о которой очень хотел бы выслушать Ваше мнение».

   Ему бы осмелиться раньше! Дело в том, что Нильс Бор оказался тогда едва ли не единственным теоретиком, не испытавшим смущения при первом знакомстве с формулой умножения матриц… Возможно, он сразу прочитал этот ребус: AB ≠ BA… Так или иначе, но он вскоре написал:

   «Можно выразить надежду, что открылась новая эра взаимного стимулирования математики и механики. Наверное, физики сначала будут сожалеть, что в познании атома нам не миновать ограничения обычных способов описания природы. Но хочется думать, что это сожаление сменится чувством благодарности к математике, дающей нам и в этой области инструмент для продвижения вперед».

   Да, совсем необычным был матричный способ описания с помощью своеобразных турнирных таблиц. А сулил он многое. И как раз в это же время Шредингер уже вел свой волновой способ описания прямой дорогой к полному успеху.

 9

   Однако откуда же взялось у Гейзенберга паническое чувство («мы оба безнадежно заблудились!»), когда весною следующего — 26–го — года он узнал из письма Паули о шредингеровской волновой механике? Почему оба?

   Объясняя историкам свои тогдашние переживания, он, постаревший почти на сорок лет, улыбчиво и мудро сравнил себя и Шредингера с двумя альпинистами, искавшими в тумане путь к вершине горы.

   …Когда туман стал редеть, оба увидели с двух разных направлений заветный пик в отдалении. Но как разительно несхожи были открывшиеся им ландшафты на подступах к цели! Отвесные кручи перед глазами у одного (квантовые скачки) и плавно холмистые склоны перед глазами у другого (волны материи). Могла ли возникнуть уверенность, что перед обоими — единая гора? Нет–нет, сильнее было подозрение: наверное, сбились с верной дороги и тот, и другой…

  Потом смятение прошло.

   Конечно, оно сменилось убеждением, что прав только он, Гейзенберг, а сбился с дороги Шредингер. И, разумеется, почти так же отнесся цюрихский профессор к механике геттингенского доцента, Оба не стеснялись в оценках.

   Гейзенберг тогда написал другу:

   «Чем больше я обдумываю физическую сторону шредингеровской теории, тем отвратительней представляется она мне».

   Шредингер не оставался в долгу:

   «…Наводящим уныние, если не отталкивающим, явился для меня этот трудный (гейзенберговский) метод… лишенный какой бы то ни было наглядности».

   Но вместе с тем Шредингер сделал то, чего не сделал Гейзенберг: он сразу попытался установить, а не описывают ли они оба на разных языках одно и то же? И очень скоро строго математически показал, что так оно и есть!

   Волновая и матричная механики вовсе не враждовали. Они переходили одна в другую, как бы дословно переводились. Ну как если бы первая твердила микромиру: «Я люблю тебя», а вторая: «Ай лав ю»… И тут, в заключение, нельзя не рассказать редкостного по психологической выразительности эпизода, разыгравшегося в те времена.

   Летом 25–го года, когда волновой механики еще не существовало, а матричная только–только появилась на свет, два геттингенских теоретика пошли на поклон к великому Давиду Гильберту — признанному главе тамошних математиков. Бедствуя с матрицами, они захотели попросить помощи у мирового авторитета. Гильберт выслушал их и сказал в ответ нечто в высшей степени знаменательное: всякий раз, когда ему доводилось иметь дело с этими квадратными таблицами, они появлялись в расчетах, «как своего рода побочный продукт» при решении волновых уравнений.

   — Так что, если вы поищите волновое уравнение, которое приводит к таким матрицам, вам, вероятно, удастся легче справляться с ними.

   По рассказу американца Эдварда Кондона, то были Макс Борн и Вернер Гейзенберг. А заканчивается этот рассказ так:

   «Оба теоретика решили, что услышали глупейший совет, ибо Гильберт просто не понял, о чем шла речь. Зато Гильберт потом с наслажденьем смеялся, показывая им, что они могли бы открыть шредингеровскую волновую механику на шесть месяцев раньше ее автора, если бы повнимательней отнеслись к его, гильбертовым, словам».

   Вот когда шекспировская Селия могла в очередной раз воскликнуть: «Удивительнейшим образом удивительно!»

   Трудно было бы найти лучшую демонстрацию слепоты односторонности. И одновременно — правдивости классически невозможного образа волн–частиц. Гора перед глазами двух альпинистов была единой. Иначе лишь одна из двух механик оказалась бы истинной — либо матричная, либо волновая. А теперь они естественно объединились, или, лучше, воссоединились под общим именем: квантовая механика микромира.

  Можно было бы ожидать, что противоборство тех исходных идей придет к завершению. Но нет, страсти вовсе не улеглись. Через четверть века с лишним, уже в 50–х годах, Луи де Бройль однажды сказал, вспоминая не знавшее штилей бурное течение нашей хорошей истории:

   «Наиболее драматическим событием современной микрофизики было, как известно, открытие двойственности — волна–частица».

   «Как известно!» Ветераны квантовой революции познали это на собственном опыте, тоже двойственном — в одно и то же время мучительном и счастливом.

_______________________________

• Вероятностный мир // Данин Даниил (часть – 1)
• Вероятностный мир // Данин Даниил (часть – 2)
• Вероятностный мир // Данин Даниил (часть – 3)
• Вероятностный мир // Данин Даниил (часть – 4)
• Вероятностный мир // Данин Даниил (часть – 5)
• Вероятностный мир // Данин Даниил (часть – 6)
• Вероятностный мир // Данин Даниил (Заключительная часть)