Неизбежность странного мира

В кубике воздуха у поверхности Земли примерно 30 000 000 000 000 000000 молекул вещества. Как справиться с таким баснословным множеством безликих частиц при изучении свойств земной атмосферы? Следить за поведением каждой частицы? Узнавать ее положение в пространстве, энергию движения, траекторию полета? Расследовать все цепи столкновений частиц между собой? Бесплодность такой затеи очевидна. И, разумеется, никому никогда не приходило в голову предпринимать подобного рода расследования. Уже в середине прошлого века физики поняли, что можно изучать свойства громадных скоплений частиц вещества, не вдаваясь в подробности механического поведения каждой частицы в отдельности. Температура, давление, плотность, вязкость, электропроводность… Все это свойства коллективов частиц, и для изучения этих свойств понадобились статистические закономерности.

Столбик окрашенного спирта поднимается по капилляру из тонкостенного шарика холодного термометра. Спирт разогревается и потому расширяется под ударами несметных полчищ молекул более теплого воздуха. В этой безмолвной битве термометра с атмосферой каждая молекула сыгрывает свою роль. Даже те, что не долетают до шарика, принимают участие в битве: они сталкиваются с другими молекулами, они вносят свою лепту в ту хаотическую мешанину движений, в которую погружается шарик термометра. Но термометру нет дела до роли каждой частицы в отдельности. Он работает как своеобразное статистическое бюро, выводящее среднее значение энергии движения атмосферных частиц.

Какова сейчас энергия вон той, помеченной нами молекулы? Она может оказаться гораздо выше средней энергий, зарегистрированной термометром, или, наоборот, гораздо ниже. Это дело случая. Вероятней всего, энергия ее будет не очень отличаться от средней. Менее вероятно, что она будет громадной или, напротив, — совсем ничтожной.

Ученые увидели эти разные вероятности. Научились оперировать ими. Они создали статистическую физику, которая объяснила множество явлений природы, долго остававшихся непонятными.

Но случай в классической физике был совсем иного рода, чем случай в физике квантовой. Он был того же толка, что случайность падения кирпича, на голову прохожего. Ученые говорили: «Энергия отдельной частицы газа может по воле случая иметь любую величину», но в то же время были совершенно уверены, что у каждой молекулы есть своя механическая предыстория, и скорость молекулы в момент наблюдения только итог всех столкновений с другими молекулами, встречавшимися на ее «жизненном пути». Узнать бы эту Предысторию, и от случая ничего не осталось бы.

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун, рассматривая под микроскопом тонкую цветочную пыльцу, заметил беспорядочное движение пылинок, взвешенных в жидкости. Названное «броуновским движением», это несложное явление возбудило острое любопытство многих ученых. Вместо цветочной пыльцы брали другие пылинки вещества, вместо воды — Другие жидкости. Беспорядочное движение наблюдалось всегда. Сегодня трудно поверить, что оно долго казалось необъяснимым. Исследователи строили всевозможные предположения: одни говорили, что это результат сотрясений жидкости, другие видели в этом влияние тепловых воздушных течений, третьи находили причину в химических реакциях, четвертые объясняли происходящее сильным освещением пыльцы под микроскопом… Но все это было несерьезно и не выдерживало проверки опытом.

Броуновское движение объяснила статистическая физика. И объяснила крайне просто. Маленькие частички вещества, попадая в жидкость, оказываются в положении шарика со спиртом, когда термометр опускают в газ: молекулы жидкости вступают в безмолвную битву с этими частичками, они толкают их во все стороны, нанося удар за ударом. Когда пылинка велика, случай статистически уравновешивает удары с разных сторон, и наблюдать броуновское движение, скажем, вишневой косточки в стакане воды не удается. Косточка покоится на дне в равновесии. Но когда посторонняя частичка мала, тогда каждый лишний удар с какой-нибудь одной стороны может оказаться существенным. Равновесие нарушается, и такая мелочь, как пылинка пыльцы, начинает сновать в воде, описывая причудливый путь.

Он, этот путь, выглядит капризно-случайным. И на первый взгляд — абсолютно беспричинным. Когда видишь броуновское движение впервые, появляется странное беспокойное чувство: кажется, что медленно снующие пылинки вещества находятся во власти полного произвола — таинственного беспорядочного случая. И становится понятным, почему это явление поражало воображение ученых прошлого века.

Надо было заглянуть в глубь явления, надо было под покровом видимой случайности открыть внутренний механизм более тонкого — атомно-молекулярного — движения материи, чтобы беспричинное зрелище объяснилось строго причинно. Количественная теория броуновского движения была дана только в начале нашего столетия. Ее разработали выдающийся польский теоретик Марианн Смолуховский и все тот же великий Эйнштейн.

Теперь надежды де Бройля делаются понятны сами собой.