Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире

 

Дзинтара открыла книгу и прочитала:

 

– «Что вы думаете, принц, об этих странных квантах господина Планка?

– Я решил посвятить все свои силы выяснению истинной природы этих таинственных квантов, глубокий смысл которых ещё мало кто понимает.

– Это смелый шаг, принц!»

 

Галатея вытаращила глаза:

– Ты что читаешь? Здесь сказки слишком перепутались с наукой! Разве принцы обсуждали квантовые проблемы?

– Да, по крайней мере один из них – Луи де Бройль, рожденный в династии французских герцогов и носивший титул князя, или принца Священной Римской империи. Семья герцогов де Бройль была богата и влиятельна, и Луи, младшему из пятерых детей, прочили большое политическое будущее. Но юного принца не привлекала военная и дипломатическая карьера, привычная для представителей его рода. Вместо этого, прочитав записи дискуссии Сольвеевского конгресса 1911 года, где обсуждались кванты Планка, девятнадцатилетний принц решил посвятить себя теоретической квантовой физике.

– Видимо, он счёл это достаточно аристократическим занятием, – решила Галатея.

– Сестра Луи де Бройля, графиня де Панж, писала в своих мемуарах про превращение принца в учёного:

 

«Дружелюбный и очаровательный маленький князь, которого я знала на протяжении всего детства, навсегда исчез. С решимостью и поразительной смелостью он постепенно, с каждым месяцем, превращал себя в строгого учёного, ведущего монашескую жизнь».

 

Луи закончил университет в 1913 году, но вскоре началась Первая мировая война, которая прервала его научные занятия. Луи отслужил шесть лет в армии и лишь после этого вернулся к любимой физике. В 1924 году он написал диссертацию «Исследование теории квантов», где высказал поразительную по смелости идею. Известно, что свет обладает не только характеристиками волны, но и свойствами частиц, или квантовыми свойствами. Де Бройль предположил, что и материальные частицы – например, электроны – тоже обладают как свойствами частиц, так и волн.

– Частицы обладают свойствами волн? – не поверила услышанному Галатея.

– Да, причём любые. Учёный приравнял энергию частицы к известному планковскому выражению hv и получил, что чем больше энергия частицы, тем больше частота её волны, а значит, длина волны меньше. Только волна эта не обычная, не похожая на электромагнитную. Её нередко называют «волной вероятности»: она описывает вероятность нахождения частицы или любого тела в той или иной точке пространства.

 

 

– Я тоже обладаю волновыми свойствами? – удивился Андрей.

– Да, и ты тоже. Но волна, соответствующая такому большому телу, как твоё, очень короткая и не может быть измерена обычными методами, зато волновые свойства электрона засечь возможно.

– Я полагаю, что моя волна гораздо больше, чем волна Андрея, – заявила Галатея.

– Конечно, ведь твоя масса меньше, – согласился брат.

– Не только поэтому! – хитро улыбнулась сестра. – Ты ещё очень твёрдый и неподатливый. А я… а я… вся воздушная и волнистая!

Дзинтара продолжила:

– Ученик и сотрудник де Бройля Жорж Лошак писал о стиле работы своего учителя: «Для Луи де Бройля характерно интуитивное мышление посредством простых, конкретных и реалистических образов, присущих трёхмерному физическому пространству… отдавая себе отчёт в силе и строгости абстрактных рассуждений, он вместе с тем убеждён в том, что вся суть всё‑таки в конкретных образах, всегда неясных и неустойчивых, без конца пересматриваемых и чаще всего отвергаемых как более или менее ложные… Для де Бройля понимать – значит наглядно представлять».

В 1920‑х годах диссертация де Бройля действительно выглядела необычной – в ней был минимум математики и гениальное понимание сути процесса вместе с его наглядным представлением. В это время в теоретической физике царили сложные математические теории вроде общей теории относительности. В середине 1920‑х годов за развитие квантовой механики взялись такие люди, как Шрёдингер, который воспользовался идеей де Бройля для развития волновой теории электрона; Дирак, Гейзенберг и многие другие, применявшие в своих исследованиях самые разнообразные и очень сложные математические методы. Работа де Бройля оказалась, наверное, последней в теоретической физике, где важные выводы были достигнуты сочетанием скромной математики и смелого мышления.

Эйнштейн рекомендовал Максу Борну диссертацию де Бройля в таких выражениях: «Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно». Сам де Бройль писал в своей книге «Революция в физике»: «Но если осторожность – мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным».

Научная смелость де Бройля была в какой‑то степени связана с его финансовой независимостью. Один из учёных начала XXI века, пожелавший остаться анонимным, сказал: «Жил бы де Бройль на гранты, чёрта с два он сказал бы, что „частица – это волна“!»

Де Бройль предположил, что раз электрон имеет свойства волны, то он должен быть подвержен явлению дифракции, типичной для световых волн. Верность вывода учёного о волновых свойствах частиц подтвердили эксперименты американских физиков Дэвиссона и Джермера в 1926 году. Они показали, что тонкий пучок электронов, падая на кристаллическую решетку никеля, отражается от неё точно так же, как рентгеновское излучение с той же длиной волн.

– То есть длина волны у электрона такая же заметная, как и у рентгеновского излучения? – уточнил Андрей.

– Да. Независимо от Девиссона и Джермера дифракционные свойства электрона продемонстрировал англичанин Джордж Томсон, сын знаменитого открывателя электрона Джозефа Томсона. К настоящему времени открыто немало примеров проявления волновых свойств электронов и других частиц. Сейчас волны де Бройля интерпретируются как волны вероятности, описывающие распределение частицы, например электрона, в пространстве. Положение электрона принципиально непредсказуемо, «размазано» по пространству. Такова современная интерпретация, но пока никто в мире не может утверждать, что это последнее слово в квантовой механике. Часть учёных продолжают думать вслед за Эйнштейном, что должна существовать детерминистическая теория движения электрона, избавленная от принципиальной случайности.

 

 

– Что такое детерни… детерминистическая теория? – спросила Галатея.

– Это такая теория, которая может точно вычислить будущее положение и скорость тел: например, небесная механика – детерминистическая: она способна с огромной точностью рассчитать, где будут располагаться планеты Солнечной системы через сто или тысячу лет. Эйнштейн полагал, что случайность и непредсказуемость присутствует в квантовой механике только из‑за непонимания глубинных механизмов динамики квантовых систем.

Трудно сказать, кто окажется прав в данном споре. Вероятно, квантовые случайности сохранятся и на следующем витке понимания в теоретической физике. Зато мы лучше поймём, что такое волна вероятности, в каком виде в ней существует частица, и почему она с такой легкостью и скоростью может выныривать в любой точке волны де Бройля – словно дельфин из настоящей морской волны. Может, для того, чтобы ответить на эти вопросы, нужен новый де Бройль – учёный, который будет способен не только на математические выкладки, но и на глубокое и наглядное проникновение в суть физического процесса.

– Может быть… – загадочно ответила Галатея с горящими глазами, в которых совсем не было сна.

 

Примечания для любопытных

 

Луи‑Виктор‑Пьер‑Раймон де Бройль (1892–1987) – знаменитый французский физик, принц и седьмой герцог де Бройль, выдвинувший концепцию волн материи, которая стала одной из основ квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1929).

Сольвеевские конгрессы – конгрессы по физике и химии, каждые три года проводимые в Брюсселе. Первый Сольвеевский конгресс состоялся в 1911 году по личной инициативе и на средства бельгийского учёного и промышленника Эрнста Сольве (1838–1922). Первый конгресс был посвящен теме квантов Планка: «Действительно ли нужно прибегать к квантовому описанию мира?» и стал поворотным пунктом в развитии физики XX века.

Жорж Лошак (1930) – французский физик, сотрудник де Бройля. Глава Фонда де Бройля.

Дифракция – огибание препятствия волнами. Благодаря дифракции свет проникает в зоны тени, куда идеальный прямой луч проникнуть не может.

Клинтон Дэвиссон (1881–1958) – известный американский физик, открывший дифракцию электронов на кристаллической решетке (опыт Дэвиссона‑Джермера), что подтвердило существование волн де Бройля. Лауреат Нобелевской премии по физике (1937), вместе с Джорджем Томпсоном.

Лестер Джермер (1896–1971) – американский физик, соавтор Дэвиссона по открытию дифракции электронов, что доказало концепцию корпускулярно‑волнового дуализма, предложенную де Бройлем.

Джордж Томпсон (1892–1975) – известный британский физик, подтвердивший на опыте волновые свойства электрона. Лауреат Нобелевской премии по физике (1937), вместе с Клинтоном Дэвиссоном.