Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство (страница 32)
Значит ли это, что Больцман примирил термодинамику с механикой Ньютона, что их можно объединить или получить одну из другой? Отнюдь. Для термодинамики движение от прошлого к будущему имеет принципиальное значение. Запрет обратного движения от будущего к прошедшему является для термодинамики безусловным и нерушимым. Таково свойство природы. Это нужно принять как непреложный факт. Но объяснить, почему это так, оставаясь в границах термодинамики, невозможно.
Для механики движение во времени остается обратимым, во всяком случае, в принципе. Движение лишь в одном направлении следует из практической невозможности воспроизвести еще раз условия, существовавшие в начальный момент, в начале пути в будущее.
Для механики в принципе допустимо возвращение от хаоса к порядку. Лишь неучитываемые случайности мешают достичь этого без нарушения закона сохранения энергии, играющего в механике столь же важную роль, как в термодинамике.
Для термодинамики возвращение от хаоса к порядку является абсолютно запретным. Этот запрет воплощен во Втором начале термодинамики, в постулате, никак не связанном с законами механики.
Триединство
Теперь мы должны перешагнуть через четверть века, минуя открытие квантовых скачков, совершенное Планком, создание первого варианта квантовой механики, порожденной соединенными усилиями Эйнштейна и Бора, создание теории относительности, поставившее Эйнштейна в глазах людей рядом с Ньютоном.
Мы совершим скачок в начало двадцатых годов двадцатого века, когда три молодых гения создали то, что сперва называли новой квантовой механикой, то, что затем стало квантовой физикой, породило квантовую химию, вторглось в астрофизику и биологию, вырвалось из микромира в наш обычный мир с его металлами и диэлектриками, полупроводниками и сверхпроводимостью, привело к созданию новой техники и, увы, к появлению ядерного оружия.
Бакалавр по разделу истории Луи де Бройль начал свой путь в физику с диссертации, поразившей научный мир своим новаторством и блеском. В ней он вывернул наизнанку идею Эйнштейна, увязавшего в 1905 году световые волны с квантами света, частицами света, позже получившими наименование фотонов. Де Бройль связал микрочастицы (он рассматривал электроны) с особыми волнами, определяющими движение этих электронов. Не часто встречаются случаи, когда в диссертации создается новая наука. Здесь это произошло. Так родилась волновая механика.
Вскоре сказал свое слово Эрвин Шредингер. Он показал, что движение микрочастиц можно описывать привычным и хорошо изученным способом — при помощи дифференциальных уравнений. Конечно, для микромира пришлось написать новое уравнение. Позже его назвали волновым уравнением Шредингера.
В игру вступил третий гений — аспирант Макса Борна Вернер Гейзенберг. Он, перед тем как отправиться на побережье Балтийского моря, чтобы излечиться от сенной лихорадки, передал своему учителю текст статьи — в ней был изложен придуманный им способ вычислять результаты опытов с частицами микромира. Мудрый учитель сразу обнаружил, что ученик, подобно герою Мольера, не знает о том, что говорит прозой. То, что придумал Гейзенберг, было матрицами, давно известными математикам особыми таблицами, составленными из чисел или букв, таблицами, с которыми нужно обращаться в соответствии с правилами, установленными математиками. Но Гейзенберг не только придумал особые матрицы, но и установил, как эти матрицы связаны с явлениями микромира. Он создал матричную механику.
Вскоре оказалось, что эта тройка породила одно и то же. Каждый из них выразил сущность явлений микромира на особом, придуманном им языке. Так микромир предстал перед физиками в трех математических облачениях.
Восторг встретил победителей. Наконец была разгадана тайна воровских орбит, тех, по которым вращаются электроны в атомах. Новая квантовая механика одерживала победу за победой над самыми трудными задачами, над глубочайшими тайнами микромира.
Но эйфория длилась не долго. Гейзенберг запретил даже думать об этих орбитах. Он выдвинул удивительный принцип — принцип неопределенности. Из него следовало, что если известно точное положение электрона (или другой частицы микромира), то нельзя узнать ничего, ровно ничего, о его скорости. А если известно точное значение скорости, то нельзя ничего узнать о его местонахождении. Ясно, что при этих условиях становятся совершенно эфемерными воровские орбиты электронов в атоме Ведь при движении по орбите скорость частицы должна быть совершенно точно связана с ее положением. А принцип Гейзенберга состоит в том, что ни то ни другое не может быть определено безошибочно, так, чтобы погрешности обоих измерений оставались равными нулю после окончания измерений.
Так микромир, совсем недавно упорядоченный Бором и Зоммерфельдом, был вновь ввергнут в хаос. В ужасный хаос, хаос, страшный тем, что он принципиально неизбежен. Ведь было твердо установлено и многократно проверено, что нельзя отказаться от принципа неопределенности, не разрушив одновременно все здание квантовой физики, не утратив эту волшебную палочку, открывающую пути во все закоулки микромира.
Великий Лоренц, тот, которого называли последним представителем классической физики, говорил, что, если он должен рассуждать о движении электрона, ему необходимо представить себе, что в данный момент электрон находится во вполне определенном месте и движется с вполне определенной скоростью. Он признавал впечатляющие достижения квантовой физики, но не мог отказаться от привычной наглядности, пусть эта наглядность и является воображаемой. Точнее говоря, для того чтобы изучать какое-либо явление, ему казалось необходимым создать модель, мысленную модель, движущуюся в соответствии с законами механики Ньютона.
Никто не мог убедить его отказаться от этой точки зрения, от этой привычки. Никто не мог предложить взамен ничего, кроме запрета. Запрета, не основанного ни на чем, кроме как на интуиции Гейзенберга и на том, что отказ от этого запрета разрушает фундамент новой физики. Лоренц унес в могилу свой протест, свои убеждения, свою растерянность.
А физики один за другим смирялись. Они привыкали к тому, что из хаоса, из невозможности воспроизвести точную картину жизни атома, невозможности представить себе точную модель рождались точные результаты. Столь точные, что лишь ошибки измерительных приборов мешали сказать, что результаты опыта полностью совпадают с результатами расчетов.
И тем не менее оставались сомневающиеся, оставались возражающие. Среди них был и один из создателей новой квантовой механики Шредингер, говоривший примерно так: если нельзя отказаться от этих квантовых скачков, он предпочитает совсем отказаться от квантовой механики. Но он не отказывался. Он решал одну за другой труднейшие задачи, решал при помощи своих уравнений, которые, как первородный грех, скрывают в себе эти квантовые скачки. Он надеялся, что со временем все как-то разрешится.
Среди сомневающихся был и Эйнштейн, вторым — после Планка — ступивший на квантовый путь, внесший решающий вклад в выяснение двуликого единства волн и частиц. Он все реже брался за квантовые задачи, до предела занятый последним делом своей жизни — созданием единой теории поля. Но он не молчал, он раз за разом предлагал своим друзьям Бору и Борну и всем остальным адептам квантовой веры хитроумные вопросы, указывал на парадоксы, возникающие внутри квантовой физики. Он, как и Лоренц, требовал наглядности. Он настаивал на том, что связи между причинами и следствиями существуют на каждом, самом малом шажке, что в любом самом сложном процессе должна существовать возможность выявлять и описывать при помощи уравнений эту связь. Связь между причинами и следствиями.
И каждый раз Бор и его сотрудники, изрядно помучившись, отвечали на каверзные вопросы Эйнштейна, объясняли суть его парадоксов. А Эйнштейн, признав их правоту, предлагал им следующий вопрос. Предлагал потому, что он не мог допустить, чтобы порядок превращался хаос, в котором не разберешь, куда направлен следующий шаг.
Бор говорил, что нельзя считать хаосом невозможность следить за микрочастицей так, как мы привыкли действовать в макромире. Что причины и следствия оказываются связанными в начале и конце процесса, связанными с величайшей точностью, при которой выявляется расхождение в миллиардную часть миллиардной доли. Это и есть порядок, говорил он. Особый порядок, свойственный микромиру. Эйнштейн соглашался с этим, но он считал, что квантовая теория просто еще не совершенна, не является окончательной. Он надеялся, что в конце концов квантовая теория, сохранив всю свою мощь, избавится от того, что он считал слабостью, от того, что следовало из принципа неопределенности.
И, желая способствовать этому, продолжал придумывать парадоксы.
Эйнштейн умер. Теперь никто не придумывает парадоксов, направленных под основы квантовой физики, проверяющих ее прочность и основательность. Одни смирились, другие, более молодые, воспринимают квантовую теорию такой, какова она есть. Им чужда мысль о том, что в ее основах скрыто неблагополучие. Уж очень высоко взметнулось, очень прочным, выносливым оказалось ее здание.