Часть вторая
Квантовая механика

Хотя Планк и Бор успешно показали дорогу к физике мельчайших частиц, которая отличается от классической механики, современное представление о квантовой теории начало формироваться только с принятием идеи Эйнштейна о световом кванте и пониманием, что свет необходимо описывать с позиции как волн, так и частиц. Эйнштейн впервые представил квант света в своей работе о фотоэлектрическом эффекте, опубликованной в 1905 году, но только в 1923 году эта идея получила признание и одобрение. Сам Эйнштейн двигался осторожно, прекрасно понимая революционные последствия своей теории, и в 1911 году сказал участникам Сольвеевского конгресса: «Я настаиваю на ориентировочном характере этой концепции, которая не кажется совместимой с экспериментально подтвержденными следствиями волновой теории».

Хотя в 1915 году Милликен подтвердил, что уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта было верным, казалось по-прежнему необоснованным принимать на веру существование частиц света. В 1940-х годах, описывая свою работу, Милликен так прокомментировал эксперименты с этим уравнением: «В 1915 году я был вынужден признать его однозначную верность, несмотря на его необоснованность… казалось, оно шло вразрез со всем, что мы знали об интерференции света». Во время опытов он выражался более резко. Заявляя об экспериментальном подтверждении уравнения Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте, он сказал: «Полукорпускулярная теория, к которой Эйнштейн пришел в своем уравнении, в настоящее время кажется полностью несостоятельной». Это было написано в 1915 году, а в 1918-м Резерфорд заявил, что «нет физического объяснения» связи энергии с частотой, которую Эйнштейн объяснил тринадцатью годами ранее, представив гипотезу о световых квантах. Резерфорд, конечно, знал о предположении Эйнштейна, но оно не казалось ему убедительным. Раз все эксперименты, разработанные для проверки волновой теории света, показали, что свет представляет собой волны, как мог он состоять из частиц?

В 1909 году, примерно тогда же, когда он завершил работу в патентном бюро и занял первый в своей жизни академический пост адъюнкт-профессора в Цюрихе, Эйнштейн сделал маленький, но значительный шаг вперед, впервые сославшись на «точечные кванты с энергией hv». В классической механике частицы, подобные электронам, представляются «точечными» объектами, и это существенно отличается от любого волнового описания, за исключением того, что частота излучения v дает нам величину энергии частицы. «Я думаю, – сказал Эйнштейн в 1909 году, – что следующий этап развития теоретической физики приведет нас к теории света, которую можно интерпретировать как некую форму смешения волновой теории и теории излучения».

Эти слова хотя и не были услышаны в то время, попадают в самое сердце современной квантовой теории. В 1920-х годах Бор представил новый физический принцип – «принцип дополнительности», который гласит, что волновая и корпускулярная теории (в данном случае) света не являются взаимно исключающими, а напротив, дополняют друг друга. Обе концепции необходимы, чтобы дать полное описание, и это удивительно точно проявляется в необходимости измерять энергию световой «частицы» с помощью ее частоты (или длины волны).

Однако вскоре после своего замечания Эйнштейн оставил попытки серьезно работать над квантовой теорией и принялся развивать общую теорию относительности. Когда в 1916 году он вернулся к квантовой полемике, он использовал уже другую логику квантовосветовой задачи. Его статистические идеи, как мы видели, помогли укрепить модель атома Бора и развили данное Планком описание излучения абсолютно черного тела. Вычисления того, как материя поглощает или испускает излучение, также объяснили, как импульс передается от излучения к материи, учитывая, что каждый квант излучения hv несет с собой импульс hv/c. Эта работа восходит к другой значительной статье 1905 года – о броуновском движении. Подобно тому как пылинки бомбардируются атомами газа или жидкости, так что их движение доказывает существование атомов, сами атомы бомбардируются «частицами» излучения абсолютно черного тела. Это «броуновское движение» атомов и молекул нельзя наблюдать напрямую, однако столкновения приводят к статистическим эффектам, которые могут быть измерены как свойства, например давление газа. Именно эти статистические эффекты Эйнштейн объяснил с позиции частиц излучения абсолютно черного тела, которые несут в себе импульс.

Однако формулу импульса «частицы» света очень легко вывести и из специальной теории относительности. В теории относительности энергия (E), импульс (p) и масса покоя (m) частицы связаны простым уравнением:

Е² = m²с⁴ + р²с².

Так как частица света не имеет массы покоя, это уравнение быстро сокращается и принимает вид:

или просто р = Е/с. Может показаться удивительным, что Эйнштейну понадобилось так много времени, чтобы это заметить, но в те дни его мысли занимало иное, например общая теория относительности. Однако как только он провел эту параллель, связь статистических аргументов с теорией относительности явно добавила им веса. (С другой стороны, раз статистика показывает, что р = Е/с, можно утверждать, что следствием уравнений теории относительности становится нулевая масса покоя частицы света.)

Именно эта работа убедила самого Эйнштейна в реальности световых квантов. Называть частицу света «фотоном» предложили только в 1926 году (это предложение сделал Гилберт Льюис, работавший в Беркли, Калифорния), а в язык науки это слово вошло лишь после пятого Сольвеевского конгресса, темой которого в 1927 году были объявлены «Электроны и фотоны». Хотя в 1917 году Эйнштейн был одинок в своей вере в реальность того, что мы теперь называем фотонами, похоже, пришло время упомянуть следующее имя. Прошло еще шесть лет, прежде чем появилось неоспоримое прямое экспериментальное доказательство реальности фотонов, которое предоставил американский физик Артур Комптон.

Комптон с 1913 года работал с рентгеновскими лучами в нескольких американских университетах и Кавендишской лаборатории в Англии. После серии опытов, проведенных в 1920-х годах, он пришел к однозначному выводу, что взаимодействие рентгеновских лучей с электронами можно объяснить только в том случае, если в некотором роде представить рентгеновские лучи в виде частиц – фотонов. В ключевых экспериментах исследовалось, как электрон рассеивает рентгеновское излучение, или, говоря на языке частиц, как фотон с электроном взаимодействуют при столкновении. Когда рентгеновский луч ударяет электрон, тот приобретает энергию и импульс и улетает под углом в сторону. Сам фотон теряет энергию и импульс и улетает под другим углом, который можно рассчитать в соответствии с простыми законами физики частиц. Столкновение подобно воздействию, которое движущийся бильярдный шар оказывает на покоящийся шар, и перенос энергии происходит точно так же. Однако в случае с фотоном потеря энергии означает изменение частоты излучения на величину hv, передаваемую электрону. Чтобы получить полное объяснение этого эксперимента, необходимо воспользоваться обоими описаниями: как с точки зрения частиц, так и с точки зрения волн. Проведя опыты, Комптон обнаружил, что взаимодействие происходит в точном соответствии с этими описаниями: углы рассеяния, изменения длины волны и отскок электрона идеально соотносились с идеей о том, что рентгеновское излучение распространяется в форме частиц с энергией hv. Этот процесс теперь называется эффектом Комптона, и в 1927 году Комптон получил за свою работу Нобелевскую премию. После 1923 года было признано, что фотоны являются частицами, которые обладают и энергией, и импульсом (хотя Бор некоторое время упорно работал над тем, чтобы найти альтернативное объяснение эффекта Комптона; он не сразу понял необходимость включения обоих объяснений – с позиции волн и с позиции частиц – в «хорошую» теорию света и считал теорию частиц конкурентом волновой теории, заключенной в его модели атома). Но многочисленные свидетельства волновой природы света никуда не исчезли. Как сказал Эйнштейн в 1924 году, «таким образом, теперь есть две теории света, обе незаменимые… без какой-либо логической связи».

В последующие сумасшедшие годы связь между этими теориями сформировала основы квантовой механики. Прогресс случился одновременно в нескольких областях, при этом новые идеи и новые открытия не появлялись в том порядке, в котором они нужны были для создания новой физики. Чтобы рассказать все по порядку, мне придется излагать события с большей методичностью, чем в то время могла предложить сама наука, а единственный способ сделать это заключается в том, чтобы очертить основы необходимых концепций, прежде чем описывать саму квантовую механику, несмотря на то что теория квантовой механики начала развиваться еще до того, как некоторые из этих концепций обрели понимание. Хотя в тот момент, когда квантовая механика начала обретать форму, еще не все следствия корпускулярно-волнового дуализма были приняты во внимание, любое логичное описание квантовой теории требует того, чтобы следующим шагом после открытия двойственной природы света стало открытие двойственной природы материи.

Это открытие берет начало от предположения, выдвинутого французским аристократом Луи де Бройлем. Оно звучит очень просто, но бьет в самую цель. Мысль де Бройля можно выразить так: «Если световые волны могут вести себя, как частицы, то почему бы электронам не вести себя, как волны?» Закончи он на этом, он бы, конечно, не стал одним из тех, кого считают основателями квантовой теории, и не получил бы Нобелевскую премию в 1929 году. Как чистое размышление, идея не имеет большого значения. Кроме того, такие идеи уже высказывались на тему рентгеновских лучей задолго до работы Комптона, по крайней мере уже в 1912 году, когда великий физик (и также Нобелевский лауреат) У. Л. Брэгг описал состояние рентгеновской физики тех лет: «Проблема, как мне кажется, не в том, чтобы выбрать одну из двух теорий рентгеновских лучей, а в том, чтобы создать… одну теорию, которая вмещала бы обе». Величайшее достижение де Бройля состоит в том, что он взял идею о корпускулярноволновом дуализме и выразил ее математически, описав, как должны вести себя волны материи, а также предложил способы их экспериментального наблюдения. Он был относительно молодым членом сообщества физиков-теоретиков, но имел великое преимущество: его старший брат Морис был уважаемым физиком-экспериментатором, и именно он подтолкнул Луи к открытию. Впоследствии Луи де Бройль сказал, что в разговорах с ним Морис подчеркнул «важность и неизбежность двойственности волн и частиц». Тогда пришло время для этой идеи, и Луи де Бройлю повезло подхватить ее именно в тот момент, когда концептуально простой интуитивный шаг мог перевернуть теоретическую физику. Но он, само собой, извлек из своего интуитивного скачка все возможное.

Де Бройль родился в 1892 году. По семейной традиции, ему была уготована карьера гражданского служащего, но, поступив в 1910 году в университет Парижа, он загорелся интересом к науке, особенно к квантовой механике, мир которой был отчасти открыт ему братом (на семнадцать лет его старше), который получил докторскую степень в 1908 году и исполнял обязанности одного из научных секретарей первого Сольвеевского конгресса, передавая информацию Луи. Однако через несколько лет, в 1913 году, его изучение физики было прервано обязательной службой в армии. Он должен был отслужить небольшой период времени, но из-за Первой мировой войны оставался в рядах вооруженных сил до 1919 года. Вернувшись с войны, де Бройль продолжил изучение квантовой теории и начал работать в той области, которая в итоге привела его к обнаружению фундаментального единства корпускулярной и волновой теории. Прорыв случился в 1923 году, когда он опубликовал три работы о природе световых квантов во французском журнале Comptes Rendus и составил на английском языке их краткое описание, которое в феврале 1924 года появилось в журнале Philosophical Magazine. Эти короткие статьи не возымели особенного эффекта, но де Бройль тотчас принялся за организацию своих идей, чтобы представить их в более завершенной форме в своей докторской диссертации. Он защитил ее в Сорбонне в ноябре 1924 года, а в начале 1925 года диссертация была опубликована в журнале Annales de Physique. Именно в такой форме стало очевидным основание его работы, которая теперь считается одним из главных завоеваний физики, случившихся в 1920-х годах.

В своей диссертации де Бройль отталкивался от двух уравнений, полученных Эйнштейном для светового кванта:

В обоих этих уравнениях свойства, которые «принадлежат» частицам (энергия и импульс), оказываются слева, а свойства, «принадлежащие» волнам (частота), – справа. Де Бройль утверждал, что попытки установить раз и навсегда, является ли свет волной или частицей, потерпели неудачу, поскольку два типа поведения неразрывно связаны – и даже чтобы измерить импульс частицы, необходимо знать ее волновое свойство – частоту. Более того, эта двойственность характерна не только для фотонов. В то время электроны считали нормальными, ведущими себя как полагается частицами, делая скидку лишь на то, что они занимают определенные энергетические уровни в атомах. Но де

Бройль понял, что факт существования электрона только на «орбитах», определяемых целыми числами, является волновым свойством. «Целые числа появляются в физике только при описании двух явлений: интерференции и нормальных колебательных мод, – писал он в диссертации. – Этот факт навел меня на мысль, что электроны тоже не могут рассматриваться лишь как частицы и у них присутствует периодичность».

«Нормальные колебательные моды» – это просто колебания, которые производят ноты на струне скрипки или звуковая волна в трубе органа. Например, сильно натянутая струна может колебаться таким образом, что каждый ее конец зафиксирован, а середина дергается туда-сюда. Стоит прикоснуться к центру струны, и каждая половина будет колебаться таким же образом, а центр покоиться – и эта более высокая «мода» колебаний соответствует также более высокой ноте, гармонике полной струны, к которой не прикасаются. В первой моде длина волны в два раза больше, чем во второй, и более высокие моды колебаний, соответствующие более высоким нотам, могут поместиться на колеблющейся струне, однако при этом длина струны должна всегда содержать целое число длин волн (1, 2, 3, 4 и т. д.). Только некоторые волны, имеющие определенные частоты, могут распространяться по струне.

Это и в самом деле аналогично тому, как электроны «помещаются» в атомах, находясь в состояниях, соответствующих квантово-энергетическим уровням 1, 2, 3, 4 и так далее. Вместо натянутой струны вообразите, что струна согнута в круг, «орбиту» вокруг атома. Стоячая волна может спокойно распространяться по такой струне, если длина окружности равняется целому числу длин волн. Любая волна, которая неточно «помещается» на струне, является нестабильной и разрушается, интерферируя сама с собой. Голова змеи всегда должна схватить ее хвост – или струна, следуя аналогии, распадется. Может ли это объяснить квантование энергетических уровней атома, когда каждый из них соответствует резонирующей волне электрона определенной частоты? Как и многие другие аналогии, основанные на атоме Бора – впрочем, как и на всех физических изображениях атома, – этот образ далек от истины, но помогает лучше понять квантовый мир.

Де Бройль представил волны связанными с частицами и предположил, что частица, подобная фотону, на самом деле ведется волной, неразрывно связанной с ней. В результате было получено подробное математическое описание поведения света, которое включает в себя свидетельства как волновых, так и корпускулярных экспериментов. Ученым, изучавшим диссертацию де Бройля, понравилась ее математическая часть, но они не поверили в предположение, что волна, связанная с частицей, подобной электрону, может иметь физический смысл – это они посчитали математической уловкой. Де Бройль не был согласен. Когда один из ученых спросил его, может ли быть проведен эксперимент, чтобы зафиксировать волны материи, он ответил, что это станет возможным, если провести дифракцию пучка электронов на кристалле. Этот эксперимент подобен дифракции света, но не на двух прорезях, а на их массиве, когда промежутки между регулярно расположенными атомами в кристалле дают массив «прорезей», достаточно узких, чтобы высокочастотные волны электронов (с маленькой длиной волны по сравнению со светом или даже рентгеновскими лучами) могли дифрагировать.

Де Бройль знал, какой должна быть правильная длина волны, поскольку, используя два уравнения Эйнштейна, получил очень простое выражение р = hv/c, с которым мы уже сталкивались ранее. Поскольку длина волны связана с частотой выражением λ = c/v, то ρλ = h, или – простыми словами – импульс, умноженный на длину волны, дает постоянную Планка. Чем меньше длина волны, тем больше импульс соответствующей частицы, что делает электроны с их маленькой массой и, соответственно, маленьким импульсом наиболее «волноподобными» частицами из известных в то время. Как и в случае со светом или волнами на поверхности моря, дифракционные эффекты проявляют себя только тогда, когда волна проходит через отверстие, гораздо меньшее, чем длина волны, а для волн электронов это означает действительно очень маленькое отверстие – порядка расстояния между атомами в кристалле.

Де Бройль не знал лишь того, что эффекты, которые можно объяснить дифракцией электронов, наблюдали еще в 1914 году, когда пучки электронов использовались для исследования кристаллов. Два американских физика Клинтон Дэвиссон и его коллега Чарльз Кунсман действительно изучали это необычное поведение электронов, рассеивающихся на кристалле, в 1922 и 1923 годах, пока де Бройль формулировал свои идеи. Не зная об этом, де Бройль пытался убедить экспериментаторов провести опыт согласно гипотезе о волне электрона. Тем временем научный руководитель де Бройля Поль Ланжевен отправил копию его диссертации Эйнштейну, который едва ли удивился, усмотрев в ней гораздо большее, чем математическую уловку или аналогию, и понял, что волны материи должны существовать. В свою очередь он рассказал об этом Максу

Борну в Геттингене, где заведующий кафедрой экспериментальной физики Джеймс Франк сообщил, что эксперименты Дэвиссона «уже установили существование описываемого эффекта»!

Дэвиссон и Кунсман, как и другие физики, считали, что эффект рассеяния может быть вызван атомной структурой, которую бомбардируют электроны, но не природой самих электронов. В 1925 году студент Борна Уолтер Эльзассер опубликовал краткую заметку, в которой результаты этих экспериментов объяснялись с позиции волн электрона, но экспериментаторов не впечатлила эта интерпретация их данных, сделанная теоретиком, – особенно никому не известным двадцатиоднолетним студентом. Даже в 1925 году, несмотря на существование экспериментальных свидетельств, идея волн материи оставалась не более чем расплывчатой концепцией. Лишь когда Эрвин Шрёдингер выдвинул новую теорию атомной структуры, включающую в себя идею де Бройля, однако заходящую гораздо дальше нее, экспериментаторы ощутили острую необходимость проверить гипотезу о волне электрона, проведя опыты по дифракции. В 1927 году, по завершении работы, была доказана полная правота де Бройля: электроны дифрагируют на кристаллических решетках так, будто бы они являются волной. В 1927 году это открытие было сделано независимо двумя группами: Дэвиссоном с его новым коллегой Лестером Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Томсоном (сыном Дж. Дж.) с аспирантом Александром Рейдом в Англии (с использованием другой техники). Не приняв расчеты Эльзассера за чистую монету, Дэвиссон упустил свой шанс на единоличную славу и разделил врученную в 1937 году за независимые исследования 1927 года Нобелевскую премию с Томсоном. Но это, скорее, любопытная историческая справка, которую должен ценить даже Дэвиссон и которая прекрасно подытоживает основы развития квантовой теории.

В 1906 году Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию за доказательство того, что электроны являются частицами. В 1937 году он увидел, как его сын получил Нобелевскую премию за доказательство того, что электроны являются волнами. И отец, и сын были правы, и каждая из наград оказалась полностью заслуженна. Электроны – это частицы. Электроны – это волны. Начиная с 1928 года экспериментальных свидетельств в пользу корпускулярно-волнового дуализма де Бройля стало предостаточно. Последовательно было обнаружено, что другие частицы, в том числе протон и нейтрон, также обладают волновыми свойствами, включая дифракцию. В серии красивых экспериментов 1970-1980-х годов Тони Кляйн с коллегами из университета Мельбурна повторил ряд классических опытов, которые в XIX веке заложили основы волновой теории света, однако при этом использовал вместо пучка света пучок нейтронов.

Полный разрыв с классической физикой приходит с осознанием того, что не только фотоны и электроны, но и все «частицы» и все «волны» являются в действительности смешением волн и частиц. Так сложилось, что в нашем повседневном мире в этой смеси почти полностью доминирует компонента частицы – в контексте, например, шара для боулинга или жилого дома. Волновой аспект все равно остается, согласно уравнению ρλ = h, хотя и является совершенно несущественным. В микроскопическом мире, где волновые и корпускулярные аспекты реальности являются одинаково значимыми, процессы протекают не так, как мы привыкли в обычной жизни. Дело не только в том, что атом Бора с его электронными «орбитами» является ложным. Любые представления ложны, и нельзя подобрать физическую аналогию, чтобы понять происходящее внутри атомов. Атомы ведут себя, как атомы, и никак иначе.

Сэр Артур Эддингтон блестяще подытожил ситуацию в своей книге «Природа физического мира», опубликованной в 1929 году. «К электрону нельзя привязать знакомые нам концепции», – сказал он, а лучшее описание атома сводится к фразе: «Что-то неизвестное делает нечто, чего мы не знаем». Он замечает, что это «не кажется особо ясной теорией. Я уже читал кое-что подобное:

Суть в том, что, хотя мы не знаем, что именно электроны делают внутри атомов, мы знаем, что важным является их число. Добавление нескольких чисел добавляет к «Бармаглоту» науку: «Восемь хливких шорьков пырялось по кислородной наве; семь – по азотной… если один из шорьков вылетит, кислород скроется под маской азота».

Это не шутливая ремарка. Если не менять числа, то, как более восьмидесяти лет назад указал Эддингтон, все фундаментальные основы физики можно перевести на язык «Бармаглота». Смысл не будет утрачен. Возможно, будет даже полезно разрушить инстинктивную ассоциацию с атомами, имеющими твердые сферы, и электронами в виде крошечных частиц. Особенно важным это кажется, когда приходишь в смятение, узнавая о свойстве электрона под названием «спин» (англ, вращение. – Примеч. пер.), которое не имеет ничего общего с вращением детской юлы или вращением Земли вокруг своей оси по мере ее продвижения вокруг Солнца.

Одна из загадок атомной спектроскопии, которую не смогла объяснить простая модель атома Бора, заключается в разделении спектральных линий, которые «должны» быть едиными, на близко расположенные мультиплеты. Поскольку каждая спектральная линия связана с переходом из одного энергетического состояния в другое, число линий в спектре показывает количество энергетических состояний в атоме – сколько «ступеней» существует на квантовой лестнице и насколько высока каждая. В начале 1920-х годов, исходя из данных изучения спектров, физики выдвинули несколько возможных объяснений мультиплетов. Лучшим стало объяснение Вольфганга Паули, которое требовало, чтобы у электрона было четыре различных квантовых числа. Оно появилось в 1924 году, когда физики еще считали электрон частицей и пытались объяснить его квантовые свойства методами, применяемыми в обычном мире. Три из этих чисел уже присутствовали в модели Бора, и считалось, что они описывают момент импульса электрона (скорость, с которой он движется по орбите), форму орбиты и ее ориентацию. Четвертое число должно было быть связано с каким-то другим свойством электрона, и, чтобы соответствовать наблюдаемому расщеплению спектральных линий, оно могло иметь только два значения.

Ученым потребовалось совсем немного времени, чтобы сообразить, что четвертое квантовое число Паули описывает «спин» электрона, который можно представить направленным либо вверх, либо вниз, что дает полноценное квантовое число с двумя возможными значениями. Первым об этом заявил Ральф Крониг – молодой физик, посетивший Европу, только закончив аспирантуру в Колумбийском университете. Он выдвинул предположение, что электрон имеет собственный спин, равный ¹/₂ в естественных единицах (h/2π), и этот спин может быть либо параллельным, либо анти-параллельным магнитному полю атома. Паули, к собственному удивлению, противился этой идее во многом потому, что она не вязалась с представлением об электроне как о частице в рамках релятивистской теории. Как электрон на орбите вокруг ядра «не должен» быть стабильным согласно классической теории электромагнетизма, так и вращающийся электрон «не должен» быть стабильным согласно теории относительности. Возможно, Паули стоило быть более восприимчивым, но в итоге случилось так, что Крониг забросил идею, так и не опубликовав работу. Спустя почти год та же самая идея пришла в голову Джорджу Уленбеку и Сэмюэлу Гаудсмиту из Института теоретической физики в Лейдене. В конце 1925 года они опубликовали свое предположение в немецком журнале Die Naturwissenschaften, а в начале 1926-го – в журнале Nature.

Теория вращающего электрона вскоре была доработана и полностью объяснила загадочное расщепление спектральных линий. К марту 1926 года оказался убежден и сам Паули. Но что это такое – «спин»? При попытке объяснения обычным языком это понятие, как и многие другие квантовые понятия, ускользает. Например, одно «объяснение» гласит (и до поры до времени это верно), что вращение электрона отличается от вращения детской юлы, поскольку электрон должен обернуться дважды, чтобы вновь вернуться в исходное положение. К тому же, как вообще может «вращаться» электрон, если он в то же время является волной? Паули больше всех обрадовался, когда в 1932 году Бор смог установить, что спин электрона не может быть измерен в классическом эксперименте, например посредством отклонения пучка электронов в магнитном поле. Это свойство возникает только в квантовых взаимодействиях, подобных тем, что расщепляют спектральные линии, и не имеет никакого классического значения. Паули и его коллегам, пытавшимся в 1920-х годах объяснить природу атома, было бы значительно проще, если бы они говорили о «круговом вращении», а не об обычном «вращении».

Увы, теперь в язык вошло слово «спин» и вряд ли будет возможно изменить эту классическую терминологию в квантовой физике. Теперь, если вас еще раз застанет врасплох знакомое слово, употребленное в незнакомом контексте, попробуйте подставить вместо него слово «бармаглот» – возможно, так термин уже не будет столь пугающим. Никто не понимает, что «действительно» происходит внутри атомов, но четыре квантовых числа Паули объясняют ряд важных свойств с позиции «шорьков», которые прекрасно чувствуют себя в «наве» разных типов.

Вольфганг Паули был одним из самых выдающихся ученых из всех тех выдающихся ученых, которые стояли у истоков квантовой теории. Он родился в 1900 году в Вене и в 1918-м поступил в Мюнхенский университет. Там он сразу зарекомендовал себя в качестве одаренного математика и подготовил статью по общей теории относительности, которая заинтересовала Эйнштейна и была опубликована в январе 1919 года. Паули глотал физику на занятиях в университете и в Институте теоретической физики, а также занимался самообразованием. Он так хорошо понял теорию относительности, что в 1920 году ему дали задание написать подробный обзор этой темы для полной математической энциклопедии. Студент, которому исполнился всего двадцать один год, написал прекрасную статью, принесшую ему славу во всем научном сообществе, и его работа получила похвалу таких ученых, как Макс Борн. В 1921 году Паули стал ассистентом Борна, присоединившись к нему в Геттингене. Вскоре он переехал из Геттингена в Гамбург, а затем – в Институт Бора в Дании. Впрочем, Борн не ощутил всей тяжести потери, ведь его новый ассистент Вернер Гейзенберг был столь же одарен и тоже сыграл ключевую роль в развитии квантовой теории.

Еще в 1925 году, когда четвертое квантовое число Паули еще не получило названия «спин», он смог использовать четыре квантовых числа, чтобы разрешить одну из великих загадок атома Бора. В случае с водородом единственный электрон действительно оседает на самом низком энергетическом уровне, у подножия квантовой лестницы. Если он возбужден – например, столкновением, – он может перепрыгнуть на ступень выше, а затем упасть назад на основной уровень, испустив при этом квант излучения. Но когда в системе появляется большее количество электронов – у более тяжелых атомов, – не все они падают на основной уровень, вместо этого распределяясь по ступеням лестницы. Бор утверждал, что электроны находятся в «оболочках» вокруг ядра, причем «новые» электроны оседают на оболочке с наименьшим количеством энергии, пока она не заполнится, а затем оседают на следующей оболочке и так далее. Таким образом он объяснил периодическую систему и раскрыл множество химических тайн. Однако он не объяснил, как или почему оболочка становится заполненной: почему первая оболочка может содержать всего два электрона, а следующая – восемь и так далее.

Каждая из оболочек Бора соответствует набору квантовых чисел, и в 1925 году Паули понял, что с добавлением четвертого квантового числа для электрона количество электронов в каждой заполненной оболочке точно соответствует количеству различных наборов квантовых чисел, относящихся к этой оболочке. Он сформулировал закон, который теперь известен как принцип исключения Паули, гласивший, что не существует двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел, и тем самым объяснил, как именно заполняются оболочки более и более тяжелых атомов.

Принцип исключения и открытие спина электрона опередили свое время и полностью вошли в новую физику только в конце 1920-х годов – когда сама эта новая физика была изобретена. Из-за стремительного развития физики в 1925 и 1926 годах важность принципа исключения иногда недооценивают, но на самом деле эта идея столь же фундаментальна и масштабна, как и теория относительности, и имеет широкое применение в физике. Принцип исключения Паули, как выяснилось, применим ко всем частицам с полуцелым значением спина – (1/2)ħ, (3/2) ħ, (5/2)ħ и так далее. Частицы, не обладающие спином или обладающие целым значением спина (ħ, 2ħ, 3ħ и т. д.), ведут себя совершенно иначе, следуя другим законам. Законы, которым подчиняются частицы с полуцелым значением спина, называются статистикой Ферми – Дирака в честь Энрико Ферми и Поля Дирака, которые вывели их в 1925–1926 годах. Такие частицы называются «фермионами». Законы, которым подчиняются частицы с целым значением спина, называются статистикой Бозе – Эйнштейна в честь ученых, которые вывели их, а соответственные частицы называются «бозонами».

Статистика Бозе – Эйнштейна была разработана в 1924–1925 годах, в то же время, когда на слуху были волны де Бройля, эффект Комптона и спин электрона. Эти законы стали последним великим вкладом Эйнштейна в квантовую теорию (и по сути его последней великой научной работой) и также ознаменовали собой полный разрыв с классическими идеями.

Сатьендра Нат Бозе родился в 1894 году в Калькутте и в 1924 году читал лекции по физике в недавно основанном Даккском университете. Следя издалека за работой Планка, Эйнштейна, Бора и Зоммерфельда и будучи в курсе несовершенства основы для закона Планка, он решил вывести закон излучения абсолютно черного тела по-новому, начав с предположения, что свет распространяется в виде фотонов, как их теперь называют. Он вывел закон очень просто, задействовав в своих расчетах не обладающие массой частицы, которые подчиняются определенной статистике, и послал копию своей работы, переведенной на английский, Эйнштейну, попросив того передать ее для публикации в Zeitschrift für Physik. Эйнштейна так впечатлила эта статья, что он сам перевел ее на немецкий и отправил со своей рекомендацией в журнал, настояв на публикации работы в августе 1924 года. Полностью отказавшись от идей классической теории и выведя закон Планка на основании комбинации световых квантов – фигурировавших в работе в качестве релятивистских частиц с нулевой массой – и статистических методов, Бозе наконец-то освободил квантовую теорию от классических корней. Излучение теперь можно было рассматривать как квантовый газ, а соответствующая статистика считала частицы, а не частоты волн.

Эйнштейн дальше развил эту статистику, применив ее к гипотетическому в то время скоплению атомов – газа или жидкости, – которые подчинялись тем же законам. Оказалось, что статистика эта неприменима к реальным газам при комнатной температуре, но точно описывает странные свойства сверхтекучего гелия – жидкости, охлажденной до температуры, близкой к абсолютному нолю, – 273 °C. В 1926 году появилась статистика Ферми – Дирака, и физикам понадобилось некоторое время, чтобы разобраться, какие законы были применимы в конкретном случае, и понять важность полуцелого значения спина.

Тонкости нас пока не интересуют, но различие между фермионами и бозонами относится к разряду важных, и понять его несложно. Несколько лет назад я пошел на спектакль с участием комика Спайка Миллигана. Занавес еще не поднялся, но вдруг этот великий актер вышел на сцену и печально посмотрел на несколько пустых мест в самых дорогих первых рядах зала. «Теперь им уже не продать эти билеты, – сказал он. – Пересаживайтесь вперед, чтобы я мог рассмотреть ваши лица». Зрители последовали его совету: все передвинулись вперед и заняли места перед сценой, оставив лишь несколько пустых кресел в дальней части зала. Мы повели себя, как прекрасные, хорошо воспитанные фермионы: каждый человек занял одно место (одно квантовое состояние), заполнив все ряды, начиная с самого желанного «основного уровня» возле сцены.

Иным образом повели себя зрители на концерте Брюса Спрингстина. Там не было свободных мест, но между первым рядом сидений и сценой оставался небольшой промежуток. Когда зажглись прожекторы и группа взяла первый аккорд песни «Born to Run», весь зал вскочил с мест и устремился к сцене. Все «частицы» оккупировали один и тот же «энергетический уровень» – в этом и заключается разница между фермионами и бозонами. Фермионы подчиняются принципу исключения, а бозоны – нет.

Все привычные нам «материальные» частицы – электроны, протоны и нейтроны – являются фермионами, и без принципа исключения не существовало бы того разнообразия химических элементов и их свойств, которое лежит в основе нашего физического мира. Бозонами являются более трудноуловимые частицы вроде фотонов, и закон излучения абсолютно черного тела – это прямой результат того, что все фотоны пытаются попасть на единственный энергетический уровень. Атомы гелия могут при определенных условиях вести себя, как бозоны, и становиться сверхтекучими, поскольку каждый атом не содержит два протона и два нейтрона и их полуцелые значения спина распределены таким образом, чтобы в итоге получался ноль. Кроме того, количество фермионов зафиксировано взаимодействием между частицами – невозможно увеличить общее число электронов во Вселенной, – в то время как бозоны, как известно любому, кто хоть раз включал свет, можно производить в больших объемах.

Хотя сейчас квантовая теория кажется нам стройной и аккуратной, в 1925 году она представляла собой настоящий хаос. Не было никакого единого движения к прогрессу: вместо этого каждый из ученых продирался своей тропой через джунгли. Ведущие исследователи прекрасно понимали это и открыто выражали свои опасения, но большой скачок был еще впереди, и его предстояло совершить, за единственным исключением, новому поколению, которое пришло в науку после Первой мировой войны и было – возможно, как следствие этого – открыто новым идеям. В 1924 году Макс Борн заметил, что «в настоящий момент существует только несколько расплывчатых намеков» о том, каким образом следует изменить классические законы, чтобы объяснить атомные свойства, и в своей книге по атомной теории, опубликованной в 1925 году, пообещал выход второго тома, который бы завершил описание и который, по его мнению, «еще несколько лет не мог быть написан».

В начале 1923 года после неудачной попытки рассчитать структуру атома гелия Гейзенберг сказал Паули: «Вот это загадка!» Паули повторил эту фразу в письме Зоммерфельду, написанном в июле того же года: «Теория… для атомов, имеющих больше одного электрона, представляется великой загадкой». В мае 1925 года Паули написал Кронигу, что «в настоящий момент физики опять сбиты с толку», ведь к 1925 году даже сам Бор оказался подавлен из-за множества проблем, окружавших его модель атома. Только в конце 1926 года Вильгельм Вин, закон излучения абсолютно черного тела которого стал одним из трамплинов для прыжка в неизвестность, совершенного Планком, написал Шрёдингеру о «болоте полных и частичных квантовых разрывов и беспорядочном использовании классической теории». Все именитые ученые, занимавшиеся квантовой теорией, были осведомлены об этой проблеме – и все именитые ученые, занимавшиеся квантовой теорией, за исключением одного, в 1925 году были еще живы (исключением был Анри Пуанкаре; Лоренц, Планк, Дж. Дж. Томсон, Бор, Эйнштейн и Борн еще были в расцвете сил, в то время как Паули, Гейзенберг, Дирак и другие уже готовились внести свой вклад в науку). Светилами оставались Эйнштейн и Бор, но к 1925 году они значительно разошлись в своих научных взглядах. Сперва Бор был одним из главных сторонников светового кванта, затем, когда Эйнштейн заинтересовался значением вероятности для квантовой теории, Бор принялся изучать его. Статистические методы (по иронии судьбы, предложенные Эйнштейном) стали краеугольным камнем квантовой теории, но уже в 1920 году Эйнштейн написал Борну: «Проблема причинности тоже не дает мне покоя… Должен признать… моим суждениям не хватает смелости». Диалог между Эйнштейном и Бором на эту тему продолжался в течение тридцати пяти лет, до самой смерти Эйнштейна.

Макс Джеммер описывает ситуацию, сложившуюся в начале 1925 года, как «досадное смешение гипотез, принципов, теорем и механизмов расчета». Любую проблему квантовой механики сначала полагалось «решать» с использованием классической физики, после чего это решение необходимо было переделывать, осмотрительно вводя в него квантовые числа и в большей степени полагаясь на счастливую догадку, чем на холодный расчет. Квантовую теорию нельзя было назвать ни независимой, ни логически цельной: она напоминала паразита на теле классической физики, экзотический цветок без корней. Нечего удивляться, что Борн полагал, будто пройдут годы, прежде чем он сможет написать второй, заключительный том своей книги об атомной физике. И все же, словно бы в дополнение ко всей странности истории квантовой науки, прошло всего несколько месяцев с сумбурного начала 1925 года, как пораженному научному сообществу представили не одну, а целых две полных, независимых, логичных и прекрасно обоснованных квантовых теории.