Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Для того чтобы полностью избежать аберраций магнитных и электростатических линз, инженеры пошли по пути предельного упрощения прибора, совершенно отказавшись от применения линз. Так возник электронный и ионный проекторы. Это просто тончайшее острие, расположенное в центре сферы. Оно сделано из вещества, которое исследуется. Электроны и даже ионы вырываются из него очень сильным электрическим полем, приложенным между держателем острия и сферическим экраном. Заряженные частицы летят от острия к экрану по прямым путям и, ударяясь об него, образуют видимое изображение острия. При этом достигается увеличение в несколько миллионов раз — можно видеть структуру кристаллической решетки, образованной атомами, из которых состоит острие. Заметны даже отдельные крупные молекулы, помещенные на поверхность острия.

Возникает законный вопрос: чем же теперь ограничиваются возможности наблюдения частиц микромира? Ответ был найден одним из создателей квантовой физики Гейзенбергом. Его ответ приобрел глубокое принципиальное значение, далеко выходящее за рамки вопроса о разрешающей способности микроскопов, основанных на применении фотонов или заряженных частиц. Об этом речь впереди. Здесь следует подчеркнуть характернейшую черту прогресса: теория и практика постоянно чередуются в лидерстве. То теория, прозрев неведомое явление, дает толчок развитию техники, приборостроения, машиностроения. То наблюдения практиков, эксплуатирующих технику, дают пищу для размышлений теоретикам, толчок к пониманию причин и закономерностей явлений. Эта перекличка идет почти в любой сфере деятельности исследователей. Мы же остановились на истории микроскопов потому, что здесь эта перекличка особенно рельефна, и потому, что события касаются новейших областей науки о природе — физики. И еще потому, что в этой области особенно контрастно выступает единство целей мысленного эксперимента и реального опыта, их взаимодействие.

Выпад против закона сохранения

Вопрос о совместимости волновых и корпускулярных свойств света продолжал волновать ученых на рубеже второй четверти XX века, волновать еще больше, чем во времена Ньютона. Тогда речь шла лишь об альтернативных возможностях описания единого круга явлений. Теперь сведения о природе расширились и углубились. Стало ясно, что на флангах наших знаний о свете имеются, с одной стороны, факты, непринужденно объясняемые волновой теорией и непонятные с квантовой точки зрения (дифракция, интерференция), и другие факты, легко объяснимые при квантовой трактовке и резко противоречащие волновому подходу (фотоэффект, эффект Комптона). Положение представлялось большинству ученых столь неудовлетворительным, что интеллектуальное напряжение стало почти нестерпимым. Эйнштейн вновь и вновь возвращался к этой задаче, а Бор был готов к самым крайним мерам, лишь бы устранить эти противоречия.

В 1924 году он вместе с Крамерсом и Слэтером заявил, что для примирения волнового распространения света с квантовым характером его испускания и поглощения следует отказаться от закона сохранения энергии в индивидуальных актах испускания и поглощения. Они предположили, что великий закон выполняется при этом только в среднем, статистически. Возбуждение, вызванное столь радикальной гипотезой, усугублялось авторитетом Бора, уже тогда ставшим очень большим.

Спокойным оставался только Эйнштейн. Он не верил в возможность нарушения закона сохранения энергии и продолжал работать, применять и развивать квантовую теорию, считая, что тайна двойственности со временем будет раскрыта.

Несколько позднее Боте и Гейгер, ранее подтвердившие на опыте совпадение волнового и квантового подхода в опыте, предложенном Эйнштейном, взялись за детальное изучение эффекта Комптона. В результате они эспериментально установили, что закон сохранения энергии справедлив и для индивидуальных актов испускания и поглощения фотонов атомами.

Отчаянная попытка Бора, Крамерса и Слэтера оказалась одним из многих тупиков в лабиринте познания. Но одна идея, высказанная ими в неудачной статье, содержала в себе зерно истины. Волна, приписываемая электронам, каким-то образом определяла вероятность индивидуального акта излучения или поглощения фотонов атомами.

Следующие два года стали переломными. В 1925 году Гейзенберг изобрел квантовую механику, основанную на применении особого математического аппарата. Страдая от сенной лихорадки, он уехал на море, передав своему учителю Борну статью с изложением этих идей. Борн сразу оценил значение работы и немедленно направил ее в печать. Однако, читая статью, он обнаружил, что молодой гений плохо знал достижения математиков! Следуя Мольеру, можно сказать: Гейзенберг не знал, что говорил «прозой», — не подозревал, что пользуется известным исчислением матриц. За время болезни Гейзенберга Борн вместе с Иорданом придали идеям Гейзенберга форму матричной механики. Так возник один из наиболее эффективных методов квантовой физики.