Создание квантовых генераторов — одно из ярких проявлений практической дееспособности квантовой механики, свидетельство того, что эта наука блестяще выдерживает вторую из названных проверок.
Первую проверку — соответствие новой гипотезы общим физическим законам — обычно осуществляют физики-теоретики. Если они приходят к выводу, что есть расхождение с проверенными законами, новую гипотезу обычно тут же и отбрасывают, не тратя лишних сил. Если теоретики признают ее теоретическую правильность, гипотеза поступает на контрольную проверку № 2, то есть проверку опытом.
Теоретическая проверка производится с помощью математики. Пишутся и решаются уравнения. Если все в порядке, эти уравнения сами по себе становятся средством дальнейшего развития новых идей.
Роль математики в физике вообще очень велика — настолько велика, что есть даже часть физики (может быть, вернее сказать — часть математики), называемая математической физикой (не смешивать с теоретической физикой!). Деятельность ученых, работающих в области математической физики, имеет следующий характер. Налицо физические идеи, общие физические законы (это и есть теоретическая физика) и выражающие их уравнения; уравнения нужно решать — это дает знание многих важных черт конкретных физических явлений. Но уравнения сложны, решать их — дело огромной трудности. Надо искать эффективные методы их решений, пусть даже только приближенные (как чаще всего и бывает). Здесь нужны как хорошее понимание физического содержания уравнений, так и большое математическое остроумие.
Хороший пример такой деятельности — труды советского физика академика Владимира Александровича Фока.
Едва идеи квантовой механики проникли в сознание ученых и нашли себе многочисленных и пламенных сторонников, возникло требование дать этой теории математический язык, разработать формулы, которые учитывали бы возможно больше факторов, влияющих на движение микрочастицы, помогали бы рассчитывать это движение. Основная задача квантовой механики — найти законы движения объекта микромиров — требовала, чтобы ее решили на математическом языке.
Задача эта была не из легких. Не только потому, что объекты квантовомеханического исследования нельзя сделать непосредственно видимыми никакими средствами. Но если бы даже можно было построить такой микроскоп, который увеличивал бы протон до размеров футбольного мяча (допустим на мгновение такую возможность), то исследователь не увидел бы ничего привычного, потому что свойства протона, как и всякого микрообъекта, представляют собой дуалистическое (двойственное) сочетание свойств волны и корпускулы. Если же мы увеличим протон до обычного тела не условно, с помощью микроскопа, а на самом деле (допустим и такую невероятную возможность!), то и в этом случае ничего не выиграем, потому что, раздувшись до размеров футбольного мяча, протон немедленно утратит все свои «фантастические» квантовомеханические свойства.
Представим следующую картину. Человек опустился в батискафе в глубину моря и увидел мир необыкновенной красоты. Перед ним, тараща глаза, проплывают причудливые рыбы, кругом, как на ночном небе, горят белые и желтые «звезды» — люминесцентные «фонари» глубоководных созданий. Некоторых из них человек улавливает приборами и извлекает на поверхность. Но тщетно будет он искать на столе лаборатории игру волшебных красок и движений, так поразивших его из окна исследовательского снаряда. Поблекнут краски и умрут движения вместе с теми, кто был их обладателем. Вырванные из родной среды, существа морской стихии перестанут быть самими собой.
Кто хочет изучать жизнь обитателей морей и рек, должен сделаться водолазом. Он должен научиться погружаться в чуждую обстановку, а не тянуть в свою (смертоносную для живущих под водой) представителей иной стихии.
Примерно то же можно сказать о современном физике, работающем в наиболее абстрактной области науки — в квантовой механике. Положение здесь даже много сложнее, чем для ихтиолога. В отличие от своего собрата — ученого, изучающего жизнь морей, — ученый-квантовик имеет дело с «существами», размеры которых не превышают триллионных долей сантиметра и которые «живут» в стихии, несравненно более фантастической, чем водные глубины.
Малость — принципиальное свойство микрочастицы. А с этим свойством связаны все другие, и прежде всего то, что движение микрочастицы весьма существенно зависит от окружающей обстановки.
Увлеченный трудностями, раскрывшимися в мире микрочастиц, В. А. Фок еще в молодые годы решил посвятить свою жизнь исследованию этой необычайной стихии. «Батискафом» для него служили воображение и научная абстракция, а языком, которым он описывал «увиденное» в затаенных недрах вещества, — математические символы и уравнения. Природа разговаривает с нами языком формул, — на нем надо ей задавать вопросы, на нем же ждать ответа.
Еще в 1926 году Фок разработал такие формулы, которые учитывали сперва наличие магнитных полей, а потом также и увеличение массы частицы, когда ее скорость приближалась к скорости света. Позднее, изучая движение электронов, Фок принял во внимание и наличие других электронов и эффектов, возникающих при взаимодействии с ними.
Ни один физик до того времени не умел достаточно эффективно учитывать, пользуясь языком математики, всех этих весьма существенных обстоятельств, и расчеты, касающиеся микрочастиц, были поневоле очень неточными.
Вершиной творческих успехов В. А. Фока, однако, следует признать его работы, объединенные под туманным для непосвященных названием «Исследования в области квантовой теории поля».
Слово «поле» для той области мира, где разыгрываются квантовомеханические события, было придумано, разумеется, более или менее случайно. С таким же успехом эта область могла бы быть названа океаном, морем или как-нибудь иначе. Главное не в названии, а в его смысле: раз есть волна, значит, должен быть и простор для нее. И уж совсем неважно, как его обозначить в первый раз (важно потом придерживаться раз придуманного термина).
Исследователи пытливо вглядывались в удивительный мир квантов. К каким только математическим ухищрениям они не прибегали, чтобы разобраться, что происходит в микромире! Чего только не придумывали, чтобы можно было предугадать ход событий на его аренах: ведь первая задача науки — научиться предвидеть будущее по событиям настоящего! Положение усложнялось тем, что полей было не одно, а несколько. В зависимости от сорта частиц существуют поля: электромагнитное, мезонное и т. д. Но проникнуть в тайны мира квантов казалось невозможным. Неведомое было закрыто на крепкий замок. Были ясны многие основные физические идеи, но отсутствовал эффективный математический аппарат для решения ряда важных конкретных задач.
Внимательно смотрел на мир невидимок и Владимир Александрович Фок. Долго и напряженно изучал он поведение частиц при их превращениях. Много пришлось бы говорить о всех трудностях, с которыми он столкнулся. Надежды сменялись разочарованиями. Казалось, постигнуть смысл происходящего невозможно: слишком не приспособлен для этой цели человеческий разум, слишком велик груз обычных представлений…
Но вот наконец победа! Фок раскрывает тайны, казавшиеся непостижимыми. Он проникает в недра Неведомого. Он дает важнейшие математические методы решения большого класса квантовомеханических задач.
Отныне сложные и важные процессы микромира можно рассчитывать, предугадывать изменения, которые происходят в микромире, и делать все это с высокой точностью.
Мировая наука сразу подхватила смелые идеи и методы В. А. Фока и поставила их на вооружение при исследовании взаимодействий мельчайших крупиц материи.
Особенно широкие горизонты раскрылись перед этими методами в квантовой теории поля в годы после второй мировой войны. Если сам Фок вынашивал свои идеи применительно лишь к электромагнитному или электроннопозитронному полю, то они оказались настолько плодотворными и универсальными, что их стали применять и для других полей. Показав, как надо учитывать возможность изменения числа частиц в процессе, Фок облек в математическую форму не только закономерности возникновения или поглощения квантов света при переходе электронов в атоме с одной орбиты на другую, но и некие более общие, применимые и к другим квантам и частицам, закономерности.
