Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

Однако последняя остается справедливой для микрофизического мира: мира машин, снарядов, звезд. Как примирить знания прошлого с новейшими достижениями физики? При помощи принципа соответствия, который формулируется на основе кванта действия. Если физические величины, характеризующие данное явление, значительно больше кванта, другими словами, если энергия и время данного явления значительно больше энергий и времени, которые имеют место в сфере атомных явлений, «статистические законы приводят… к вероятностям, которые все более и более приближаются к достоверности, апричинные характеристики атомной теории становятся несущественными и теряются в естественной неточности вопросов, относящихся к макроскопическим явлениям».

Но на этом не прекращается переворот в существовавших ранее представлениях.

Когда Эйнштейн открыл, что свет, распространяется прерывистыми пакетами энергии, казалось невозможным согласовать это открытие с всемирно принятой теорией Максвелла, по которой свет представлял собой цепь волн. Прерывистость предполагает наличие зерен света (фотонов), и тем не менее столь известное явление, как интерференция света, абсолютно схоже с тем, что происходит с волнами на поверхности озера. Впрочем, энергия каждого фотона является произведением кванта действия (постоянная Планка) на частоту данного фотона, и эта последняя величина предполагает волновой характер фотона. Но как зерна света могут одновременно быть и волнами? Луи де Бройль положил конец этому противоречию, предложив считать любые корпускулы – и не только фотоны – «связанными» с волной. Это справедливо для электрона, протона, нейтрона и даже для атома. Это было бы справедливо, обобщает Оппенгеймер, «и для больших тел, если бы не незначительность постоянной Планка, в результате чего длина волн у крупных тел практически незначительна по сравнению с их размерами и возможностью достоверно определить их положение и размеры».

Шредингер облек это обобщение в математическую форму. Так родилась волновая механика. Теоретическое развитие волновой механики, а также трудности, возникшие при опытной проверке, привели к еще более невероятным понятиям. «Волны» новой механики значительно более абстрактны, чем волны, которые до тех пор встречались в физике. Их толкование приводит только к статистическим предположениям: мы имеем такую-то долю вероятности встретить электрон в определенной точке, но мы не обладаем уверенностью в этом. Более того, чем точнее определяются скорость и импульс электрона, тем менее точно можно определить его координаты. И наоборот. Гейзенберг вывел математическое уравнение этой неопределенности. Вот как далеки мы ныне от ньютоновской механики: теперь не недостаток данных, а сама сущность природы приводит к тому, что нельзя одновременно определить все аспекты материальной системы в определенный момент. После принципа соответствия нам надлежит допустить принцип дополнительности; энергетический уровень электрона и его орбита являются взаимодополняющими понятиями: «Когда применяется одно из них, второе не поддается определению, и полное описание требует то одного, то другого понятия, в зависимости от данных, полученных в результате наблюдения, и вопросов, которые требуют ответа».

Оппенгеймер предостерегает от ошибок, к которым может привести общепринятое значение терминов, ошибок, часто допускаемых философами. Мир атомов не перестает объективно существовать. Но доступ в него мы получаем только при помощи макроскопических средств. Об атомных явлениях мы узнаем по вспышке лампы, по следу в камере Вильсона или дрожанию стрелок на циферблате. Уже сущность опыта предопределяет, что будем измерять, поскольку, естественно, невозможно измерять все сразу.

Оппенгеймер замечает, что описание квантовой физики можно продолжить и дальше. «Но слова становятся странными и неудобными, – говорит он, – они могут удивительно исказить то, что можно ясно изложить языком математики».

Остановимся на нескольких следствиях новой физики.

Поскольку механическая причинность уступила место вероятностям, может произойти явление чрезвычайно маловероятное. Так, например, в массе звездной материи ядра с незначительной энергией могут случайно войти в контакт друг с другом и начать цепную реакцию. Это только гипотеза. Но захват блуждающих электронов ядром урана-235 объясняется тем фактом, что взаимодействия между частицами иногда возможны на расстояниях, которые определяются не их размерами (иначе говоря, не их положением в пространстве), а длиной их волны (вероятностью их присутствия). И в конце концов, как объясняет Оппенгеймер, само понятие идентичности частицы может быть поставлено под сомнение.

Пятая лекция разъясняет, обобщает и разграничивает применение принципа дополнительности. Уже своим заглавием «Недостаточность общепризнанных понятий» она оправдывает содержание всего сборника и представляет собой своего рода заключение. Философские и литературные рассуждения, которые в ней содержатся, в меньшей степени носят отпечаток научной строгости, чем предыдущие лекции. Но от этого они становятся лишь богаче и дают нам более глубокое представление об интеллекте автора, о его Weltanschauung [11].

Любое творение человека, любое его дело неизбежно носит временный, преходящий характер. И само человечество когда-нибудь исчезнет. Но тем не менее, какова бы ни была религиозная вера (или неверие), никто не может жить, удовлетворившись этой истиной. «Деятельность человека, его мысли, то, что окружает его в мире: падение листика, шутка ребенка, восход луны, – являются не только историческими фактами, элементами эволюции, элементами неизбежного будущего; равным образом они представляют собой часть вневременного мира, часть света вечности».

Эти два подхода к реальному миру – исторический и вневременной – невозможно связать воедино, их можно считать взаимодополняющими, примерно так же как в ядерной физике понятия положение частицы и ее энергия.

Оппенгеймер упорно возвращается к мысли, что невозможно наблюдать одновременно и энергию данной атомной системы и ее положение в пространстве. Причем это ни в коем случае не объясняется недостаточностью средств наблюдения. Если бы это было так, то ученые могли бы, например, измерив положение данного электрона, попытаться предсказать его поведение на основе законов ньютоновской механики как нечто среднее для всех электронов, занимающих аналогичное положение и обладающих различными неизмеренными энергиями. Однако такие расчеты приводят к результатам, не соответствующим данным опытов. Основная причина этого состоит в том, что волны, присущие весьма малым частицам, взаимно интерферируют между собой, – явление, с которым не приходится считаться классической механике крупных тел. Мы должны освободиться от мысли, укоренившейся в нас в связи с привычкой повседневного опыта, будто положение электрона и его энергия являются сосуществующими факторами и если один из них известен, другой также можно определить. Любая попытка определить один из факторов сокращает возможность познания второго. Состояние атомной системы зависит от способа наблюдения. Кодифицируя отдельные характеристики системы, наблюдатель делает другие ее характеристики неопределяемыми уже одним тем фактом, что он воздействует на них. И эти воздействия нельзя измерить, не потеряв возможность измерить те характеристики, ради определения которых ставился данный опыт.

Состояние материи определяется характером наблюдений, однако не следует впадать в ошибку и считать материю существующей лишь субъективно. Наоборот, материя имеет реально объективный характер, раз ее состояние можно определить при помощи количественных измерений, раз это состояние можно воспроизвести опытным путем. Просто ее нельзя описать при помощи терминологии классической механики. Объективная реальность микрофизического мира не может проявиться вне зависимости от средства, избранного для его наблюдения; и в зависимости от этого выбора удается определить ту или иную черту его объективного существования, но не ту и другую вместе, если они являются взаимодополняющими.