Исторически кажется непонятным, почему оно не было сразу же продемонстрировано экспериментально де Бройлем–старшим в его хорошо оборудованной частной лаборатории на улице Байрона. Это тем непонятней, что работа с рентгеновскими лучами была, как говорят французы, «спесиалитэ де ля мезон» — «специальностью дома». А счастливая близость длин электронных волн и рентгеновских определилась тотчас, едва только де Бройль–младший вывел свою красиво простую формулу. Недоумение возрастет еще больше, если вслушаться в его воспоминание, которым он поделился с историками сорок лет спустя — в январе 1963 года:
— …Мой брат Морис рассматривал рентгеновский луч, как некую комбинацию волны и частицы.
Стало быть, в лаборатории на улице Байрона все нужное для эпохального эксперимента было налицо — и приборы, и руководящая идея, и духовная атмосфера. А дело не сделалось!
Между прочим, именно там еще в довоенные времена, в 1911 году, Луи де Бройль — девятнадцатилетний бакалавр гуманитарных наук — пленился физическими исканиями старшего брата и познакомился со спорами вокруг квантовых идей. Морис де Бройль был секретарем 1–го конгресса Сольвея и привез тогда из Брюсселя материалы только что прошедших дискуссий. Юный Луи их читал и — соблазнился: теоретическая физика навсегда обратила его в свою веру. Но он занимался в лаборатории брата и экспериментами, да притом вместе с очень искусным Александром Довийе… Еще один повод для всевозрастающего недоумения.
Но, быть может, на улице Байрона попросту не до гадывались, как поставить нужные опыты и чего добиваться? Ах, нет, догадывались! Во время защиты «вздорной диссертации» член жюри Жан Перрен спросил: возможно ли опытное доказательство идеи диссертанта? Луи де Бройль с прозрачной ясностью ответил: электронные волны, пронизывая кристалл, должны давать такую же дифракционную картину огибания атомных узлов кристаллической решетки, какую дают лучи Рентгена…
Так что же в конце–то концов помешало переоткрыть электрон как волну еще в 24–м году — на три года раньше, чем это действительно произошло?
Страсти человеческие помешали — не их вдохновляющий накал, а прохладное равнодушие к журавлю в небе, когда мерещится синица в руках… Уже переваливший за семьдесят, Луи де Бройль рассказал историкам, что он тогда — в далекой молодости — предложил многоопытному Александру Довийе взяться за дело, однако встретил отказ! Тот был слишком занят экспериментами по телевидению, которые сулили…
Словом, обычный сюжет: абстрактным «волнам материи» немножко надмирного принца пришлось уступить черед исканиям здраво–практическим. Но расчетливость всегда нерасчетлива, когда в жертву ей приносится фундаментальное знание. Довийе взял бы назад свой отказ, узнай он в тот момент, что все будущее электронной микроскопии, квантовой электроники, да и всех квантовых чудес в нынешней технике пряталось в азбучных опытах, которыми он пренебрег. И уж, конечно, он поспешил бы за них приняться, скажи ему голос из будущего, что впереди его ждет Нобелевская премия. Позднее она по праву досталась американцу Клинтону Джозефу Дэвиссону и англичанину Джорджу Пейджету Томсону «за их открытие дифракции электронов в кристаллах», то есть в точности за то, что предложил открыть уверенный в своей правоте Луи де Бройль.
Журавли и синицы, небо и руки меняются в истории местами, не оповещая об этом заранее слишком здравомыслящих.
Дэвиссон и Томсон открыли волнообразность электронов независимо друг от друга в 1927 году. А потом выяснилось, что первый наблюдал электронную дифракцию еще шестью годами ранее — в 21–м, но не смог понять странную картину, получавшуюся при работе с электронами и никелевым кристаллом. Идея, что перед ним — волновая картина, Дэвиссона не осенила. Подтвердилась изумительно точная, уже знакомая нам мысль Эйнштейна, для многих звучащая почему–то как ересь: «Лишь теория решает, что мы ухитряемся наблюдать!»
Оттого что Дэвиссон в лаборатории телефонной компании Бэлла ухитрился наблюдать электрон–волну раньше, чем де Бройль ухитрился теоретически описать такую возможность, физике не повезло: уже воочию явившись как волна, электрон остался неузнанным на целых шесть лет!
А Джордж Томсон — сын старого Дж. Дж. — ставил в лаборатории Абердинского университета тонкие опыты, заранее зная, что он должен увидеть по теории де Бройля. И он сумел сфотографировать волновую картину поведения электрона… Так удивительно распорядилась история физики, что вся честь открытия электрона–частицы и наполовину честь открытия электрона–волны досталась одной ученой семье в двух ее поколениях.
Однажды — в середине 50–х годов — обсуждался даже интересный вопрос: а не было ли чистой случайностью, что корпускулярная природа электрона обнаружилась раньше волновой? И уж заодно: как повернулся бы весь ход развития физики микромира, если бы электрон как волна был открыт прежде, чем как частица? Тут простор для праздных гаданий. Но в такую дискуссию можно было бы внести шутливый вклад: для изменения очередности этих открытий в семье Томсонов отец и сын вынуждены были бы поменяться ролями, что противно законам природы.
8
Успех экспериментаторов в 1927 году заставил даже упорствующих скептиков оценить правоту де Бройля. И с необычной для Шведской академии быстротой ему уже в 1929 году была присуждена Нобелевская премия. (А Дэвиссону и Томсону пришлось почему–то ждать десять лет.)
На церемонии вручения награды французскому теоретику его представлял собравшимся шведский физик Карл Усен, к слову сказать, давний друг Нильса Бора и еще более давний сторонник квантовых идей. Прежде чем попросить Луи Виктора де Бройля «принять награду из рук нашего короля», Усен сказал:
— Одна поэма, хорошо известная каждому шведу, начинается словами: «Моя жизнь — волна». Поэт мог бы выразить свою мысль и по–другому: «Я — волна!» Предпочти он именно это выражение, в его словах содержалось бы предчувствие глубочайшего понимания природы материи, ставшего доступным человеку ныне…
В зале могли подумать, что профессор Усен сказал больше, чем позволяла суть дела: разве из волнообразности электрона следовала волнообразность всего сущего в вещественном мире?
Следовала! Суть дела в том и состояла, что по простой и красивой формуле де Бройля волнообразность являла собою неизбежное свойство всякой движущейся массы — совершенно независимо от того, чья это масса, электрона или целого атома, дробинки или земного шара… Так в легенде о рождении закона тяготения перед взором Ньютона могло падать на Землю вместо яблока все, что угодно: не имело значения, какою «вещью» была тяготеющая масса. И на самом деле Ньютон изучал не падение яблока, а подобное падению движение Луны… Карл Усен не преувеличил права мечтательного поэта — тот мог сказать о себе, не противореча физике: «Я — волна!» Тогда метафора принадлежала бы науке, а не поэзии.
Резонно возразить: да ведь это означает, что уже классическая механика с первых своих шагов и всегда имела дело не просто с физическими телами, но с кентаврами — «телами–волнами»? Разумеется, да!
Так, стало быть, была она непростительно слепа?
«Слепа» — это верно, а вот «непростительно» — совсем неверно. Она, старая механика, не замечала волнообразности вещества по той же причине, по какой веками не замечала возрастания массы тел с увеличением их скорости: по причине неуследимой малости этого эффекта. Формула де Бройля вместе с небывало новым знанием содержала безусловное оправдание всех экспериментаторов прежних времен.
Могли ли астрономы почуять дебройлевское «дрожание» земного шара? Для ответа — чуть–чуть арифметики…
Помните, длина дебройлевской волны получается при делении постоянной Планка hна массу и скорость тела. Чем больше масса, тем короче волна. Пусть скорости Земли и электрона будут одинаковы. Тогда для земного шара длина волны будет во столько же раз короче электронной волны, во сколько Земля массивней электрона. А цифры такие:
Земля — примерно — 6 · 10+27 граммов,
Электрон — примерно — 10–27 грамма.
Значит, Земля массивней в 6 · 10 54 раз.
Ну а электронные волны, измеряемые ангстремами, имеют длину, сравнимую с атомными размерами. Стало быть, надо размеры атома разделить на число с 54 нулями, дабы получилась длина дебройлевской «земной волны». Непредставимо физическое событие, в котором такая ничтожная малость могла бы подать о себе весть!
Столь же призрачной была волнообразность и того шведского поэта, что имел теоретическое право на метафору: «Я — волна!» Вообразим его могучим здоровяком весом около центнера — 10 5 граммов. Тогда был бы он массивней электрона в 1032 раз. А его дебройлевская волна такое же количество раз умещалась бы в поперечнике атома. Единица с тридцатью двумя нулями! Снова: вообразим ли эксперимент, в котором можно было бы засечь протяженность, равную эдакой доле атомных размеров?! И потому предложенная Карлом Усеном метафора все–таки принадлежала поэзии, а не физике.
…Все началось с планетарной модели — со сравнения атома с Солнечной системой. А теперь можно позволить себе обратное сравнение — попробовать в Солнечной системе узреть черты квантовой атомной модели.
Если так, то планеты вращаются по разрешенным орбитам. А разрешены лишь те, в которых укладывается обязательно целое число «планетных волн» де Бройля. Для нашей Земли это означает, что две ближайшие дозволенные природой орбиты разнятся между собой на одну «земную волну». Кольцевой просвет меж ними и того меньше. В этот просвет не втиснуться ни атому, ни электрону, ни мультимиллионно–миллиардно–триллионной дольке электрона. Такой просвет не более реален, чем полное отсутствие просвета. Словом, эллипсы разрешенных земных орбит просто вплотную прилегают друг к другу, практически заполняя все пространство. Никакой прерывистости в череде дозволенных планетных путей нет. И уровни энергии взаимного притяжения Солнца и планет никакой лестницы не образуют. И думать о квантовых скачках с уровня на уровень совершенно бессмысленно (даже если бы планеты умели скакать, испуская кванты).
Что же получается? «Квантование» Солнечной системы по образу и подобию атома ничего не дает — ничего нового по сравнению с тем, что уже выведала классическая механика. Оттого она и не подозревала о тех новостях, какие принесли с собою «волны материи».
А в микромире, где так неощутимы массы физических телец, очень и очень ощутима их волнообразность. Не случайно, что она раскрылась на электроне: он — легчайшая крупица вещества в атомном обиходе.
Но и тяжелые частицы, созидающие ядра, — протоны и нейтроны, — тоже отчетливо выраженные микрокентавры. Их волновое поведение столь же броско дает знать о себе, как и корпускулярное. Они ведь всего в 2000 раз массивней электрона. Конечно, от этого их дебройлевские волны во столько же раз короче электронных: тысячные доли ангстрема, то есть что–то вроде 10–11 см. Но хотя это и малая величина, она примерно в сто раз больше радиуса электрона–частицы— 10–13см. И потому весьма солидна в масштабах микромира. Легко почувствовать важность «протонных волн» и «нейтронных волн» для верного описания событий в глубинах материи.
Разумеется, волнообразность ядерных частиц тоже была доказана прямыми экспериментами. И они, как электроны, прошли экзамен на дифракцию и интерференцию. Физик Демпстер, кажется, первым получил снимки кристаллов в протонных лучах. И подобно фотографии, рентгенографии, электронографии, возможна протонография. А нейтронография ныне — целая наука.
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?