Параллельно с этим развилось и то направление, которое было намечено де Бройлем, — в систематической теории Шредингера волновая механика получила свое законченное выражение. Вскоре выяснилось, что эти два пути, столь различные но своей математической форме, по своему исходному пункту оказались совершенно идентичными по выводам.
Теория Шредингера позволяла еще сохранить некоторую наглядность. Казалось, что можно себе представить электрон, исходя из волновой точки зрения, как совокупность отдельных волн, как пакет волн, сосредоточенный в сравнительно небольшом объеме. С другой стороны, казалось, что новые материальные электронные волны можно также представить себе в достаточной степени наглядно как волны, проходящие в трехмерном пространстве, хотя и отличные от электромагнитных.
Однако эта попытка оказалась неудачной. Выяснилось, что при помощи наглядных представлений, построенных на классической механике, невозможно выразить новую систему квантовой механики Гейзенберга и Борна или Шредингера и де Бройля. От такой наглядности пришлось отказаться.
Здесь я подхожу к очень существенному вопросу — к вопросу о наглядности теории. Почему это на определенном этапе развития физика вдруг перестает быть наглядной, не может больше пользоваться наглядными моделями? Нужно сказать, что это случается каждый раз и, как я попытаюсь показать, это неизбежно, когда физики переходят к существенно новому типу явлений, к существенно новой области.
Я хочу вспомнить из той же беседы с Лоренцем другой момент, касающийся не конца, а самого начала его деятельности, когда только что появилась теория Максвелла. Почувствовав громадное значение этой теории, Лоренц стал ее изучать, но убедился, что пичего не понимает, ничего, кроме формул, не может извлечь из этой теории.
Узнав, что вышло французское изложение теории Максвелла, Лоренц сейчас же поехал в Париж, ожидая, что автор, изложивший Максвелла, очевидно, его понимает. Но автор этого изложения ему сказал, что теорию Максвелла вообще нельзя понять: это чисто математическая, совершенно абстрактная форма; физического же смысла теория Максвелла иметь не может. Очень любопытно, что это утверждение почти дословно напоминает то, что мы сейчас слышим о новой квантовой механике.
Что это значит? Я думаю, что этот факт есть одно из доказательств материализма. Попытаюсь это обосновать.
Что значит, что для нас новая теория не наглядна? Это значит, что опыт привел нас к каким-то новым явлениям, для которых вся сложившаяся в нашем мозгу в результате всего предыдущего опыта система представлений оказывается непригодной, это значит, что мы не можем излагать новые факты при помощи старых образов, уже привычных для нас и поэтому наглядных. Но ведь это возможно только в том случае, если эти факты имеют место вне нас, в реально существующей природе. В нас самих не было никаких решительно предпосылок для того, чтобы придумать фотоны, в движении электронов заподозрить волновой процесс, чтобы создать синтез корпускул и волн, — у нас для этих понятий не нашлось ни слов, ни представлений.
Такие моменты, когда наука перестает быть наглядной, когда она по существу не может быть наглядной, могут быть обусловлены только реальным существованием внешнего мира. Поэтому, мне кажется, бояться отсутствия наглядности у нас нет оснований.
Я хотел бы на двух примерах показать действительную необходимость создания новых представлений, полную невозможность какой бы то ни было комбинации привычных величин. Одно из этих явлений — дифракция электронов, которая дала первое непосредственное опытное обоснование волновой природы движения. Эта электронная дифракция сделалась одним из широко распространенных методов изучения структуры поверхностных слоев и кристаллов, исследования коррозии и поверхностного катализа. Электронная дифракция, наряду с рентгеновской дифракцией, становится методом не только физических исследований, но и технического контроля. Это уже область, богатая экспериментальными фактами.
Будем ли мы рассматривать дифракцию электронов при прохождении их через два близких отверстия или при отражении от ряда последовательных атомных слоев кристалла, нам придется допустить, что одни и те же электроны одновременно проходят через оба отверстия или отражаются последовательно от целого ряда слоев, несмотря на то что потом мы можем их обнаружить как отдельные электроны, сконцентрированные в очень малом объеме, и что можем даже наблюдать пути, пройденные отдельным электроном после дифракции.
Другое явление — прохождение электронов сквози энергетические барьеры, значительно превышающие запас их кинетической энергии. Это явление мы наблюдаем в фотоэффекте, в плохих контактах, в атомном ядре. Применяя понятие об определенной скорости электрона в определенной точке пространства внутри барьера, пришлось бы признать ею скорость мнимой, его кинетическую энергию отрицательной. Все эти трудности устраняются принципом неопределенности и возникают оттого, что мы пытаемся объяснить новые явления старыми, совершенно для них непригодными, бессмысленными в этой области представлениями. Также нелепо, например, определять плотность тела в участках размером в 10~9 см, хотя в это определение и можно вложить определенный смысл.
Таким образом, волновые представления в атомной физике настойчиво диктуются нашим опытом и неизбежно требуют создания новых, нам еще не привычных, не допускающих наглядного истолкования законов. Пока они описываются уравнениями Шредингера.
С другой стороны, направление Борна и Гейзенберга тоже на первых же шагах получило блестящее подтверждение. При помощи матричной механики удалось определить интенсивность линий, разобраться в явлениях Штарка и Зеемана, дать им количественную теорию и т. д.
Таким образом, новая квантовая механика, хотя с момента ее рождения прошло еще немного лет, обоснована опытом не менее прочно и не менее широко, чем старая квантовая механика, электромагнитная теория Максвелла или ньютонова механика. Несомненно, что дуализм частицы и волны неразрешим в рамках тех величин и представлений, которыми мы описывали и объясняли окружающие нас макроскопические явления.
Простое рассмотрение любого из фактов атомной физики, а они нисколько не стали хуже от того, что являются новыми, с неизбежностью приводит нас к заключению, что здесь нужны новые понятия, новый язык.
Эти новые представления ищет и Дирак в своих уравнениях, и Шредингер в волновой механике, и Гейзенберг в своем принципе неопределенности. Эти новые методы еще несовершенны, им еще не удается дать законченные, строго систематические формулировки, подобные системе классической механики Ньютона, тем не менее это черты той новой картины мира, которую мы видим пока в отдельные просветы в том или другом аспекте. Каждое из этих представлений есть большой и несомненно положительный шаг вперед, и каждое из них, мне кажется, если его правильно разобрать, есть одно из новых подтверждений диалектического материализма. Они лишний раз показывают, насколько реальный, вне нас существующий мир сложнее, многостороннее, чем те схемы, которые мы создали на основе прошлого опыта, как этот мир раскрывается нам в своих проявлениях путем отдельных противоречивых аспектов, диалектически объединяемых по мере накопления опыта в активном практическом применении. В трудностях и противоречиях современной теории заложены новые обобщения, новый синтез.
Критерием ценности новых теорий является их соответствие всей совокупности нашего опыта. А этот экзамен теории Дирака, Шредингера и Гейзенберга выдержали. Конечно, эти новые представления затронули очень многое из логических привычек и макроскопического опыта и больно ударили по нашей психологической лени. Если бы мы были махистами, это было бы, мне кажется, убедительным возражением. Может быть, неэкономно перестраивать все наше мировоззрение для того, чтобы правильно описать определенную группу явлений. Не проще ли поступить так: все прежнее прекрасно можно описывать по-старому, а для нового можно добавить какие-нибудь мнемонические правила. Это будет гораздо экономнее. Если мы не уверены, что здесь проявляются свойства реального, вне нас существующего мира, то вряд ли стоит производить такую коренную ломку и создавать себе такие психологические неприятности.
Принцип неопределенности является одной из новых и, мне кажется, очень положительных форм описания существа тех новых свойств, которые мы усмотрели в природе, когда подошли к атомным явлениям. Он неизбежно вносит новое содержание в понимание причинности, существующей в природе.
Мы думали, что лишь макроскопические, явления представляют собой результат статистической игры каких-то элементарных процессов, а элементарные механические или электродинамические явления подчиняются однозначно законам механики. Почему мы так думали? Да просто потому, что мы ничего о них не знали. Диалектично лиг было так думать? Я бы сказал — нет. Считать, что разнообразие природы ограничивается атомами и па этом кончается, — вряд ли диалектично. На самом деле, когда мы подошли к этим атомам, то оказалось, что атомы не только сложные тела — это нас не удивило, но что законы их вовсе не простые элементарные законы обычной механики, целиком перенесенные в атомные размеры, что и здесь та же статистика, то же колоссальное разнообразие. В основе грубой статистики лежит не однозначная механика, а опять-таки та же многозначная атомная статистика. Принцип неопределенности — это второй принципиально новый шаг в метрологии, в науке об измерениях, позволяющей количественно изучать природу. Первый существенный шаг был сделан теорией относительности.
До теории относительности мы не задавали себе вопрос о том, как следует производить измерения при быстром движении. Обыкновенно достаточно приставить масштаб и отсчитать его показания у двух отметок: здесь 12, там 34, значит, расстояние равно 22. Но оказалось, что, когда тело быстро движется, этот прием не годится: пока посмотрели на один конец, другой отъехал и отсчет теряет смысл. Нужно было разобраться в том, что значит измерять движущийся объект; частная теория относительности и дает ответ, как в таком случае поступать. Она дает единственный логически возможный, вытекающий из наших знаний о природе метод. Наилучшее орудие измерения — свет, но он движется с конечной скоростью, и это приводит к тем особенностям измерения пространства и времени, которые дает теория относительности. Это первый этап метрологии.