По ту сторону кванта - Пономарев Леонид Иванович

Можно ли с такой же меркой подходить к понятию «атом»? Ведь число опытов, на основе которых мы строим образ и понятие «атом», безгранично и в принципе каждый из них добавляет к нашим знаниям нечто новое. Мы не можем остановиться на этом пути и сказать: «Хватит с нас опытов, мы уже построили для себя образ атома, и дальнейшие опыты могут его только испортить». Наоборот, мы радуемся каждому новому опыту и особенно тем из них, которые не укладываются в рамки нами же придуманных образов. Именно такие опыты помогли нам отказаться от атомов — твёрдых шариков и построить нашу более совершенную модель. Почему же мы теперь уверены, что нынешний образ атома соответствует истине?

Надо признаться, что физики в этом вовсе не уверены. Зато они честно и спокойно могут сказать: «За последние сто лет не сделано ни одного опыта, который противоречил бы созданной нами картине. Поэтому лучше говорить не об её истинности, а об её плодотворности — о том, насколько она помогает нам объяснить и предсказывать особенности атомных явлений».

И здесь выясняется поразительная вещь: нам не так уж необходимо знать, «как выглядит атом на самом деле». Нам достаточно изучить уравнения квантовой механики и правила обращения с ними. После этого мы можем предсказать всё: как изменится цвет тела при нагревании, какие спектральные линии оно при этом испустит и как изменится длина их волны, если поместить тело в электрическое или магнитное поле. Мы можем предсказать форму кристаллов, их теплоёмкость и проводимость. Мы можем, наконец, построить атомную электростанцию и атомный ледокол, и они будут исправно работать. И всё это без малейших ссылок на «истинную» форму атома.

На этом основании многие (с лёгкой руки Гейзенберга) предлагают обходиться в квантовой механике вообще без наглядных образов. Целесообразность такой крайности можно оспаривать, но отрицать её возможность безоговорочно нельзя. На вопрос «Что такое атом?» сторонники крайних мер отвечают лаконично: «Атом есть система дифференциальных уравнений». К сожалению, в этой шутке много правды. По сравнению с целым арбузом «атом арбуза» очень беден свойствами. Однако свойства эти противоречивы, и слить их воедино без насилий над логикой и здравым смыслом можно пока только в уравнениях квантовой механики.

Квантовая механика — это математическая схема, которая позволяет вычислять физически измеримые характеристики атомных явлений: уровни энергии атомов, интенсивность и частоту спектральных линий, их расщепление в электрическом и магнитном полях и ещё многое другое.

Если бы задача физики заключалась только в этом, то построение механики атома можно было бы считать законченным. Однако физика призвана дать нам нечто большее — рациональную картину мира. Выполнить столь обширную программу с одними формулами и числами нельзя — необходимо найти образы и сформулировать понятия, им соответствующие. Особенно интересно это для всех нефизиков, которые не знают и не понимают формул квантовой механики. Для них язык образов и понятий — единственный способ проникнуть в глубь атома. Со времён Демокрита мы продвинулись на этом пути довольно далеко и сейчас нарисовали для себя более или менее удовлетворительную картину атома. Однако до совершенства ей не хватает ещё нескольких штрихов.

В самом деле, мы знаем теперь, что дуализм «волна — частица» — главное свойство всех атомных явлений. Но ведь сам по себе электрон всё-таки частица? А мы сейчас ударились в другую крайность и утверждаем, что электрон в атоме — это некое заряженное облако. Для понимания большинства опытов такая картина удобна, однако с её помощью нельзя понять, например, явление фотоэффекта. Действительно, никто никогда не видел, чтобы из атома вылетал кусок электронного облака — всегда вылетает единый и неделимый электрон. Как же происходит мгновенное собирание атомных облаков разной формы всегда в одну и ту же неделимую частицу?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам придётся ввести новое понятие — вероятность. Оно настолько фундаментально, что без него современной квантовой механики не существует вообще. Теперь мы им и займёмся.

ВОКРУГ КВАНТА

ЖИЗНЬ…

Роджер Иозеф Боскович (1711–1787) сейчас известен только узкому кругу специалистов, но в начале прошлого века он был знаменит, а его теория атома оказала влияние даже на мировоззрение таких людей, как Фарадей и Максвелл.

Боскович родился и провёл детские годы в Югославии, в Дубровнике (в то время — Рагуса). Он был восьмым ребёнком из девяти и самым младшим из шести сыновей в семье крупных торговцев. То было время, когда любая деятельность людей получала смысл и признание лишь в том случае, если она была освящена церковью или связана с нею. Уже с 8 лет Боскович учился в местном иезуитском колледже, а в 14 лет отправился на родину матери, в Рим, и после двух лет искуса был принят в Collegium Romanum. Там он отличился в математике, физике и астрономии и в 1736 году опубликовал первую научную работу о солнечном экваторе и периоде вращения Солнца. В 29 лет он стал преподавателем, а в 33 года — священником и членом общества Иисуса. В продолжение 14 лет он преподаёт физику и математику, изучает аберрацию света и форму Земли, создаёт карту Ватикана.

Боскович был не только учёный, но и поэт. (В 1779 году он посвятил поэму Людовику XVI, в которой предсказывал ему царствование без солнечных затмений.) Яркие качества его богатой натуры в сочетании с блестящим интеллектом открыли ему доступ в высшие духовные, академические и дипломатические круги Европы.

В 1757 году он едет в Вену в составе посольства и там за одиннадцать месяцев пишет книгу «Теория натуральной философии», которую он обдумывал в течение двенадцати лет. После возвращения из Вены он отправился в четырёхлетнее путешествие в Париж, Лондон, Константинополь, затем читал лекции, работал в обсерватории в Милане, снискал ненависть коллег независимостью взглядов и в 1772 году оказался в Венеции без средств к жизни. Друзья выхлопотали ему место в Париже, где он прожил десять лет и лишь в 1783 году возвратился в Италию издавать свои труды. В конце 1786 года он почувствовал признаки умственного расстройства, которое перешло в патологическую меланхолию. После попытки к самоубийству он сошёл с ума и 13 февраля 1787 года избавился наконец от всех сложностей своей жизни.

…И АТОМ БОСКОВИЧА

Из тех немногих, кто в XVIII веке верил в атомы, Боскович — единственный, кто не верил в атомы — твёрдые шарики. Поэтому его воззрения ближе к нам, чем все атомные теории XIX века.

Своё недоверие к несжимаемым атомам-шарикам Боскович обосновывал тем, что с помощью таких атомов нельзя объяснить кристаллическую структуру тел и их упругость, плавление твёрдых веществ, испарение жидкостей, а тем более химические реакции между веществами, построенными из таких круглых, твёрдых и непроницаемых шаров.

Боскович представлял себе атом, как центр сил, которые меняются в зависимости от расстояния до этого центра. Близко к центру силы отталкивающие, что соответствует отталкиванию атомов при тесном сближении или при их столкновении. При удалении от центра отталкивающая сила сначала уменьшается, затем обращается в нуль и, наконец, становится притягивающей — как раз в этот момент, говорил Боскович, образуются все жидкие и твёрдые тела. Но если мы ещё удалимся от центра сил, то силы вновь станут отталкивающими — в этот момент жидкие тела испаряются. И совсем далеко от атома силы всегда притягивающие, как того и требует закон всемирного тяготения Ньютона.

Таким образом, каждый атом Босковича «простирается вплоть до границ солнечной системы», а поскольку центры сил нельзя ни уничтожить, ни создать, то его атомы вечны, так же как и атомы Демокрита.

Атом Босковича значительно ближе к современному атому, чем атом Демокрита. Например, как и современный атом, он не имеет определённых геометрических размеров. Зато с его помощью можно понять разнообразие форм кристаллов и всевозможные химические превращения, в которых эти атомы участвуют.