Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Горелик Геннадий

Радикальный поворот, можно сказать, переворот, произошел в 1919–1921 годах, когда Эйнштейн надел на себя шоры Единой теории поля и не снимал их до конца жизни. Трудно уйти от мысли, что в этом сыграл свою роль беспримерный триумф 1919 года, когда экспедиция Эддингтона во время солнечного затмения подтвердила «чисто» теоретическое предсказание Эйнштейна об отклонении света. При всей его самоиронии испытание медными трубами выпало на долю Эйнштейна сильнейшее. На него накинулись репортеры, издатели и просто поклонники знаменитостей:

Хлынул поток газетных статей, и страшное наводнение запросов и приглашений затопило меня так, что мне снится, будто я жарюсь

в аду, а почтальон — это сам сатана; он рычит на меня не переставая и швыряет мне в голову очередную кипу писем, между тем как я еще не успел ответить на старые.

Адское наводнение славой могло усилить и без того неслабое доверие Эйнштейна к своей интуиции и сделать это доверие слепым. Так, по крайней мере, думали молодые физики Джаз-банда: неужели великий физик не понимает, что из сколь угодно обобщенной сG– теории не выведешь h– физику, если из констант с и G невозможно получить величину размерности h?!

А может, Эйнштейн попросту зазнался? Для мании величия оснований у него было больше, чем у многих, но признаков такой мании не видно. Скорее наоборот. Свое величайшее достижение — теорию гравитации — он поставил под (квантовый) вопрос в год ее создания. А спустя двадцать лет, когда теорию уже экспериментально подтвердили и она заняла свое почетное место, он сравнил ее со зданием, «одно крыло которого сделано из благородного мрамора [геометрия пространства-времени], а другое — из низкосортного дерева [описание массы-энергии]». С такими разными крыльями высоко не поднимешься. Поэтому Эйнштейн и пытался перестроить фундамент глубоко внизу, чтобы на новой основе возвести новое здание полной физической теории.

Так или иначе, к 1930-м годам жизнь Эйнштейна все более разъединялась с жизнью фундаментальной физики. И его не занимали новые проблемы, предвещавшие новый кризис и новую революцию в физике.

В ожидании ch– революции

Завершенная в 1927 году квантовая механика, или h– теория, дала надежную теоретическую основу для физики атомных явлений — поведения частиц, движущихся вне ядра. Другое дело — само ядро.

Тогдашняя физика знала, что мироздание построено из трех видов частиц: протоны, электроны и фотоны. Протон — ядро водорода, самое легкое из ядер. Считалось, что все другие ядра, по весу примерно кратные протону, из соответствующего числа протонов и состоят. А то, что положительный заряд ядер меньше, чем это число, объясняли наличием в ядрах электронов — внутриядерных электронов, отрицательный заряд которых компенсирует «лишний» положительный заряд протонов. Так, например, ядро второго по номеру элемента — гелия — считали состоящим из четырех протонов и двух электронов.

К тому времени уже давно расшифровали все три типа радиоактивности — альфа-, бета— и гамма-лучи. Оказалось, что это не столько лучи, сколько частицы: альфа — ядра гелия, бета — электроны, гамма — фотоны очень высокой энергии. Все эти лучи-частицы вылетают из ядер. Но почему из некоторых ядер вылетают альфа-частицы, из других — бета или гамма, а из третьих ничего никогда не вылетает? То был лишь один из безответных вопросов, но только что открытые законы квантовой механики, как считалось, неприменимы к физике ядра. Основания так думать усматривали и в экспериментах, и в теории.

В 1927 году в точных опытах установили, что электроны, вылетающие при бета-распаде ядер, имеют разные энергии, а разность энергий ядра до и после распада больше средней энергии бета-электронов. При этом не было гамма-излучения, которое могло бы спасти баланс энергии.

Это дало Бору основание предположить, что в ядерной физике баланс действительно нарушается — нарушается закон сохранения энергии. Эту страшную гипотезу Бор высказал, будучи уверен, что речь шла о новой, неизученной области физики, для которой требуется ch– теория. И опирался он при этом на h– теорию квантовой механики, в основе которой знаменитое соотношение неопределенностей координаты частицы x и ее импульса p = mV:

x ^. p > h.

Применяя это соотношение к внутриядерным электронам, для которых x не больше размеров ядра, получали, что диапазон скоростей этих электронов

V > h/mx.

Если сюда подставить массу электрона m, а вместо x — размер ядра, окажется, что скорости внутриядерных электронов близки к скорости света, и, значит, для описания их поведения нужна ch– теория, которой еще не было и в которой мог не выполняться закон сохранения энергии. К этому Бор привлек еще одну загадку тогдашней физики, точнее астрофизики, — загадку звездной энергии: тогда не знали, какой источник энергии обеспечивает сияние звезды на протяжении миллиардов лет. И Бор предположил, что нужный источник объясняется той же самой ch– теорией, в которой энергия может рождаться из «ничего» и которая объяснит, как и в каком темпе такое рождение происходит.

В 1929 году Бор послал свою гипотезу Паули. А тот, взамен, выдвинул собственную: в ядрах существуют какие-то нейтральные — незаряженные — частицы, которые при бета-распаде вылетают вместе с электронами, но из-за своей нейтральности уносят неучтенную часть энергии незаметно. В 1931 году противостоящие гипотезы публично встретились на Первом международном конгрессе по ядерной физике в Риме, где большинство участников поддержали Бора.

Надо сказать, что сохранность энергии стала вопросом уже в самом начале ядерной эры. Открытие радиоактивности намекало на порождение энергии из ничего. Потом выяснили, что «не из ничего», а из ядра, где эта энергия неизвестным образом запасена и хранится до поры до времени — до загадочного момента радиоактивного распада.

Так что не надо ставить двойку по физике Нильсу Бору и примкнувшим к нему физикам. Конечно же, они знали, что в неядерной физике закон сохранения действует неукоснительно. Но знали и то, что уже осуществилась замшелая мечта средневековых алхимиков — превратить одно простое вещество в другое, скажем, свинец в золото. В ядерной физике, или, если хотите, в ядерной алфизике, это стало возможно. Добавь к ядру протон — и безо всяких магических заклинаний другое вещество готово. Так можно из свинца сделать золото. Другое дело, что дешевле добыть золото из земли, но это уже вопрос не физики, а экономики.