Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

слова, без которых невозможно построить ни одной осмысленной «квантовой фразы». Для начала запомним три важных понятия квантовой физики: атомы, волны, кванты — и проследим истоки их возникновения.

АТОМЫ

Сейчас мало осталось людей, для которых реальность атомов менее очевидна, чем движение Земли вокруг Солнца. Почти у каждого с этим понятием связано интуитивное представление о чем-то маленьком и неделимом. И все же, какой смысл вкладывает в понятие «атом» нынешняя физика? Как оно возникло, что понимали под этим древние, как потом развивалось и почему только квантовая механика наполнила реальным содержанием эту умозрительную схему?

Демокрит

Творцом идеи атома принято считать Демокрита, хотя история упоминает также учителя его Левкиппа и — менее уверенно — древнеиндийского философа Канаду. О жизни и личности Демокрита мы знаем мало. Известно, что родился он в ионийской колонии Абдера на Фракийском берегу Средиземного моря; кроме Левкиппа, учился у халдеев и персидских магов, много путешествовал и много знал; прожил около ста лет и в 370 г. до н. э. был похоронен за общественный счет гражданами родного города, которые его глубоко почитали. Многочисленные поколения художников изображали Демокрита высоким, с короткой бородой, в белом хитоне и в сандалиях на босу ногу.

Легенда рассказывает, что однажды Демокрит сидел на камне у моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас это яблоко разрежу пополам — у меня останется половина яблока; если я затем эту половину снова разрежу на две части — останется четверть яблока; но если я и дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня в руке будет оставаться 1/8, 1/16 и т. д. часть яблока? Или же в какой-то момент очередное деление приведет к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?» Впоследствии оказалось, что сомнение Демокрита (как почти всякое бескорыстное сомнение) содержало долю истины. По зрелом размышлении философ пришел к выводу, что предел такого деления существует, и назвал эту последнюю, уже неделимую, частицу атом — ατομος — «неразрезаемый», а свои мысли изложил в книге «Малый диакосмос». Вдумайтесь — это написано более двух тысяч лет назад: «Начало вселенной — атомы и пустота, все же остальное существует лишь в мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости».

Когда умер Демокрит, Аристотелю, будущему учителю Александра Македонского, было 14 лет. Он был худощав, невысок ростом, изыскан, а уважение к нему переходило часто все разумные границы. Для этого были основания: он владел всеми знаниями той эпохи. Аристотель учил обратному: процесс деления яблока можно продолжить бесконечно, по крайней мере в принципе. (Справедливости ради следует признать, что идея бесконечной делимости вещества для неискушенного ума выглядит более естественно, чем мысль о существовании принципиального предела делимости материи.) Учение Аристотеля стало господствующим, Демокрита забыли на многие века, а его сочинения уничтожались с тщанием, достойным лучшего применения. Поэтому учение Демокрита сохранилось только во фрагментах и свидетельствах современников, а Европа узнала о нем из поэмы древнеримского поэта Тита Лукреция Кара (99—55 гг. до н. э.) «О природе вещей».

Бессмысленно винить древних за такой выбор — для них обе системы были равно разумны и приемлемы: цель своей науки они видели не в практических применениях (они их стыдились), а в том, чтобы с помощью умозрения достигнуть того чувства гармонии мира, которое сообщает человеку всякая законченная философия.

Чтобы освободиться от заблуждений великого авторитета, потребовались две тысячи лет. В XVII веке впервые возникла наука физика, которая вскоре вытеснила древнюю натуральную философию.

Наука опиралась не на чистое умозрение, а на опыт и математику. Окружающую природу стали не просто наблюдать, а изучать, то есть ставить сознательные опыты для проверки гипотез и записывать результаты этой проверки в виде чисел. Идея Аристотеля не выдержала такого испытания, а гипотеза Демокрита окрепла и дала начало атомной теории.

После двадцати веков забвения идею об атомах возродил к жизни французский философ и просветитель Пьер Гассенди (1592—1655): в 1647 г. появилась его книга с изложением идей атомизма. В то время это было сопряжено с известным риском: традиции средневековья преследовали не только гипотезы, но и строгие факты науки, если они противоречили общепризнанным догматам. (В Париже, например, в 1626 г. учение об атомах запретили под страхом смертной казни.) Тем не менее атомную гипотезу приняли все передовые ученые того времени. Даже Ньютон с его знаменитым девизом «Hypothesis non fingo» («гипотез не строю») поверил в нее и изложил по-своему в конце третьего тома «Оптики».

Однако до тех пор, пока гипотезу об атомах не подтвердили опытом, она оставалась, несмотря на всю свою привлекательность, только гипотезой.

В правоте Демокрита впервые наглядно мог убедиться шотландский ботаник Роберт Броун (1773—1858). В 1827 г. это был уже немолодой директор ботанического отдела Британского музея. В юности он провел четыре года в экспедициях по Австралии и привез оттуда около 4 тысяч видов растений. Двадцать лет спустя он все еще продолжал изучать коллекции экспедиции. Летом 1827 г. Броун обратил внимание на то, что мельчайшая пыльца растений произвольно двигается в воде под действием неизвестной силы. Он тут же опубликовал статью, заглавие которой очень характерно для той неторопливой эпохи: «Краткий отчет о микроскопических наблюдениях, проделанных в июне, июле и августе 1827 г. над частицами, содержащимися в пыльце растений; и о существовании активных молекул в органических и неорганических телах».

Сначала его опыт вызвал недоумение. Это недоумение усугубил сам же Броун, пытаясь объяснить обнаруженное явление некой «живой силой», которая якобы присуща органическим молекулам. Естественно, такое прямолинейное объяснение «броуновского движения» не удовлетворило ученых, и они предприняли новые попытки изучения его особенностей. Среди них особенно много сделали голландец Карбонэль (1880 г.) и француз Гуи (1888 г.). Они поставили тщательные опыты и выяснили, что броуновское движение не зависит от внешних воздействий: времени года и суток, добавления солей, вида пыльцы и «...наблюдается одинаково хорошо ночью в деревне и днем вблизи многолюдной