Федор Кедров - Цепная реакция идей

Создание теории относительности и квантовой механики — два важнейших этапа физики нашего века. Без них невозможно представить себе прогресса физики, для которого они послужили основой. Тамм подчеркнул, в частности, что современная ядерная физика целиком базируется на квантовой теории, которая многие годы встречала сильное возражение у физиков главным образом старшего поколения, в том числе и крупнейших ученых.

Тамм напомнил, что создатель теории относительности гениальнейший физик Альберт Эйнштейн, очень много сделавший для развития квантовой теории, до конца своей жизни так и не признал некоторые ее основы.

Такое трудное восприятие квантовой теории объяснялось, по мнению Тамма, тем, что до нее в основе физики лежало убеждение в строгой определенности (детерминизме) всех физических процессов. Это значит, что состоянием физической системы в данный момент времени точно и однозначно определяется вся ее дальнейшая эволюция, ход всех происходящих в ней процессов. Так было в классической физике, где ученые имели дело с макросистемами.

Но другое дело в субмикроскопическом мире — мире сверхмалых величин, которые не могут регистрироваться прямыми методами. Квантовая теория показала, что в мире элементарных частиц ряд закономерностей носит лишь вероятностный статистический характер (в этом принципиальное отличие от детерминизма классической физики). Состояние системы определяет в этом случае лишь относительную вероятность того, какие именно процессы произойдут в дальнейшем.

«В этом пет противоречия с тем, — утверждал Тамм, — что законы природы в доступных нашему непосредственному восприятию макроскопических явлениях детерминистичны — в таких явлениях (субмикромира) участвуют мириады элементарных частиц и из вероятностных закономерностей для отдельных частиц непосредственно вытекает с громадной точностью классический детерминизм макроявлений».

Эйнштейн не мог принять отказ от применимости классического детерминизма в микромире.

Эрнест Резерфорд — основатель ядерной физики, величайший экспериментатор века тоже не мог вначале согласиться с квантовыми представлениями, выдвинутыми его учеником Нильсом Бором для объяснения резерфордовской ядерной модели атома. Но Бору, правда, с большим трудом удалось объяснить Резерфорду суть квантовых идей.

Говорят, что на Эйнштейна статья Бора о квантовых представлениях, объясняющих, почему электроны непрерывно вращаются вокруг ядра, не падают на ядро, произвела ошеломляющее впечатление. Эйнштейн сказал знаменитую фразу: «Если это правильно, то физика, как наука, кончилась».

Тамм говорил, что статистический (недетерминистский) характер законов микромира отнюдь не плод неполноты нашего познания этих законов, как предполагалось некоторыми исследователями, а лежит в природе вещей.

Тамм очень наглядно иллюстрировал это утверждение, обращаясь к одному из основных принципов квантовой теории — принципу неопределенности. Он гласит, что нет и не может быть таких состояний элементарной частицы, в которых одновременно и ее координаты (т.е. положение) и ее скорость имели бы точно определенное значение. Если координаты имеют точно определенное значение, то скорость частицы неопределенна и существуют лишь определенные вероятности различных значений ее скорости, и, наоборот, если скорость имеет определенное значение, то для координат имеет место статистический разброс.

Здесь автор не ставит своей задачей изложение квантовой теории, для понимания которой необходима серьезная специальная подготовка читателя, но показывает пример ясной подачи сложного материала, которая была присуща Тамму.

Тамм очень просто объяснял причины принципиального расхождения классической и квантовой теории.

Физические понятия, выработанные путем анализа явлений окружающего нас макромира, далеко не полностью применимы для описания явлений в микромире. «Так у нас есть понятия частицы и волны, — говорится в Ломоносовской лекции Тамма, — волны на воде или волны звуковой, световой, т.е. упорядоченного движения в среде. Очевидно, что не может существовать объекта, который одновременно являлся бы и частицей и волной. Между тем в микромире дело обстоит именно так: элементарная частица, например, электрон или протон, обладает одновременно свойствами и частицы и волны».

Тамм видел в современной квантовой механике серьезные недостатки, ограничивающие ее применение. Он считал, что она нуждается в обобщении. Хотя квантовая теория правильно и точно описывает и объясняет огромный круг явлений, но ее неполнота обнаруживается при ультрамалых пространственных расстояниях и при больших энергиях. Тамм указывал, что эта фундаментальная трудность в квантовой теории выявилась еще в тридцатых годах, вскоре после завершения стройной системы квантовой механики (во второй половине двадцатых годов). Один из создателей квантовой механики немецкий физик Вернер Гейзенберг тогда считал необходимым радикальное обобщение теории. Тамм утверждал, что подобно тому, как теория относительности и квантовая теория ввели в физику две фундаментальные постоянные (скорость света в вакууме — c и постоянную Планка — h ), так и в новую обобщенную, универсальную теорию должна войти новая фундаментальная постоянная, определяющая границы применения современной квантовой механики.