Матвей Петрович Бронштейн

Френкель Виктор Яковлевич

4.1. Три попытки пошатнуть закон сохранения энергии

Впервые идею ограниченной применимости ЗС [33] в субатомной физике Бор опубликовал в статье 1923 г. [113] (законченной в ноябре 1922 г.). Почвой, на которой возникли сомнения в ЗС, были размышления о несовместимости волнового описания света и представлений о квантах света (введенных Эйнштейном в 1905 г. и позже названных фотонами). В то время главным инструментом Бора был принцип соответствия, и он не видел никакой возможности в духе этого принципа совместить волновую теорию и кванты света. Поэтому идею квантов света Бор считал неприемлемой. Но эйнштейновская «эвристическая точка зрения» на свет как на поток квантов, столь успешно объяснявшая фотоэффект, опиралась на ЗС. И вполне

естественно, что антипатия к квантам света привела к сомнениям в абсолютности ЗС. Подобные сомнения, надо сказать, посещали и других [202, с. 133], но только смелость Бора и его авторитет позволили сделать эти сомнения достоянием сообщества физиков.

33

Будем называть так для краткости идею ограниченной применимости закона сохранения энергии. Для облегчения текста будем также употреблять аббревиатуры ЗС и ГН (закон сохранения и гипотеза несохранения).

Бор яснее других видел пропасть, зиявшую между квантовым дискретным и классическим непрерывным описаниями, и, для того чтобы построить мост теории через эту пропасть, он даже отступление от ЗС считал не слишком большой ценой [241, с. 290]. По опыту создания теории атома он знал, что иногда достигнуть цель нельзя, двигаясь только малыми шагами. Такому физику-мыслителю, как Бор, было труднее, чем другим, мириться с отсутствием (выражаясь словами Эйнштейна) внутреннего совершенства физической картины, и меньший вес имело внешнее оправдание, каким располагала идея квантов света к 1922 г.

Внешнее оправдание стало еще большим после открытия в 1923 г. эффекта Комптона и его фотонного объяснения на основе законов сохранения энергии и импульса. Поскольку, однако, это объяснение не уменьшило разрыва между корпускулярным и волновым описаниями, Бор продолжал бороться с квантами света. И в 1924 г. он вместе с Крамерсом и Слетером предложил подход к описанию эффекта Комптона, обходящийся без понятия световых квантов и предполагающий соблюдение ЗС только в статистическом смысле [120]. Эта опасность для ЗС длилась, однако, недолго: в 1925 г. эксперимент (Комптона—Саймона и Боте—Гейгера) ясно высказался за фотонное описание и против описания Бора—Крамерса—Слетера.

Так закончился первый натиск на ЗС. Для Бора, впрочем, он завершился не столько экспериментальным подтверждением ЗС в субатомной физике, сколько созданием последовательного аппарата квантовой механики, увенчанного в 1927 г. принципом неопределенности и принципом дополнительности,— был построен долгожданный теоретический мост, связывающий корпускулярное и волновое описания уже не только света, но и вещества.

Второй натиск на ЗС породили проблемы ядерной физики. Если первый натиск начинался с теоретической неудовлетворенности и кончился приговором эксперимента, то второй начался с неудовлетворительной экспериментальной ситуации и завершился построением теории (впрочем, мы еще увидим, насколько теоретическое было сплавлено с экспериментальным). Прежде всего — хронологическая канва событий.

Начало положили эксперименты Эллиса—Вустера 1927 г. Они установили, что электроны, вылетающие при р-распаде ядер, распределены по энергиям непрерывно. И хотя начальное и конечное состояния ядра обладают вполне определенными энергиями, их разность больше средней энергии р-электронов. Было установлено, и что р-распад не сопровождается у-излучением, которое могло бы восстанавливать баланс энергии в каждом отдельном акте р-распада. Это дало Бору основание предположить, что в ядерной физике ЗС может нарушаться. Самые ранние свидетельства его гипотезы — рукопись заметки, которую в июле 1929 г. он послал Паул₂и на отзыв, и соответствующие их письма [247, с. 4] [34] (публично эту гипотезу Бор высказал только в октябре 1931 г. [116]).

34

Авторы благодарны Р. Пайерлсу за возможность познако₃миться с рукописью его статьи [247] до ее выхода.

Паули не счел предположение Бора основательным и в противовес выдвинул собственную гипотезу. В декабре 1930 г. в письме «собранию радиоактивных дам и господ», собравшихся в Тюбингене, «имея в виду "неправильную" статистику ядер N и Li⁶» [35] , а также непрерывный спектр р-распада, Паули «предпринял отчаянную попытку спасти теорему статистики и закон сохранения энергии» [252, с. 390]. Он предположил, что в ядрах существуют нейтральные частицы спина 1/2, которые при р-распаде вылетают из ядер вместе с электронами и, обладая большой проникающей способностью, уносят с собой «несохраняющуюся» часть энергии. Присутствие таких частиц в ядре могло предотвратить и азотную

катастрофу. Вскоре Паули, однако, понял, что одной нейтральной частицей обе эти проблемы решить нельзя. И в июне 1931 г. он впервые публично (но лишь устно) сообщил о своем плане спасения ЗС с помощью нейтральных, весьма проникающих частиц, сопровождающих р-распад [Там же, с. 393].

35

Речь идет о так называемой азотной катастрофе. Свойства атомного ядра существенно зависят от четности числа составляющих его частиц. Ядро, состоящее из k нейтронов и l протонов, в те - донейтронные - времена считалось состоящим из k + l протонов и k электронов. Четности чисел k+l и 2k + l, вообще говоря, не совпадают (в частности, для азота).

В октябре 1931 г. на международной конференции по ядерной физике в Риме противостоящие гипотезы встретились. Хотя Паули нашел там важного союзника — Ферми (которому новая частица — нейтрино — стала обязана своим именем и теорией), большинство участников конференции склонялись к точке зрения Бора, впервые опубликованной именно в Трудах Римской конференции. Реферируя этот сборник, Бронштейн писал: «Согласно взглядам Бора, которые теперь уже, кажется, стали почти общепринятыми среди теоретиков, законы сохранения энергии и количества движения, представляющие одну из наиболее характерных черт современной физической теории, должны перестать соблюдаться в области релятивистской теории квант» [68] (при чем здесь «релятивистская теория квант», мы увидим в следующем разделе).

Паули же не решался публиковать свою нейтринную гипотезу вплоть до Сольвеевского конгресса в октябре 1933 г. Там было сообщено о резкой верхней границе р-спектра, согласующейся с ЗС, а две экспериментально открытые новые частицы — нейтрон и позитрон — жили в физике уже на полных правах. После этого конгресса и в особенности после построенной Ферми вскоре, в самом конце 1933 г., теории р-распада число физиков, сомневающихся в ЗС, стало уменьшаться и обратилось в нуль в 1936 г. после драматического, но длившегося всего несколько месяцев кризиса, связанного с опытами Шэнкланда.

Эти опыты, изучавшие комптоновское рассеяние в области высоких энергий, противоречили фотонной теории и законам сохранения. Сильное волнение, вызванное результатами Шэнкланда, и вспыхнувшие вновь дискуссии о применимости ЗС в микромире, кажутся сейчас объяснимыми только верой в сказочный закон, согласно которому третья попытка всегда успешна. Опыты Шэнкланда были очень скоро опровергнуты и забыты. Тогда же исчезли сомнения в ЗС.

Точку в этой истории Бор поставил в заметке, которая сопровождала публикацию экспериментов, опровергающих Шэнкланда: «основания для серьезных сомнений в строгой справедливости законов сохранения при испускании р-лучей атомным ядром сейчас в основном устранены» [119]. В словах «серьезных» и «в основном» можно усмотреть горечь по поводу разрыва родительских уз, связывающих Бора с гипотезой несохранения. Описывая историю нейтрино в 1957 г., Паули не без некоторого недоумения отметил: «Впрочем, справедливость закона сохранения энергии при р-распаде и существование нейтрино он [Бор] признал полностью лишь в 1936 г., когда уже была успешно развита теория Ферми» [Там же, с. 394].

А теперь рассмотрим внимательнее ход интересующих нас событий и попытаемся понять мотивы их участников.

4.2. Гипотеза несохранения и мотивы ее сторонников

а) В ожидании релятивистской теории квант. Первые сомнения Бора в ЗС, порожденные его антипатией к эйнштейновским квантам света, нашли мало сочувствия не только за пределами его группы, но и среди его сотрудников. Не разделял эти сомнения даже Слетер, на основе идеи которого (о виртуальном поле излучения) и в соавторстве с которым Бор в 1924 г. попытался реализовать «закон несохранения энергии» [202, с.138]. При этом следует сказать, что сомнения в идее световых квантов были довольно широко распространены, и не только среди физиков старшего поколения. Например, Ландау в 1927 г., рассматривая квантование электромагнитного излучения, сказал: «Введение световых квантов, однако, произвольно и не является необходимым» [213, с. 21] (в то же время Бронштейн, как видно по его первым работам, был на фотонных позициях). Квантовый парадокс (как называли тогда проблему совмещения дискретного и непрерывного описаний) скорее вдохновлял теоретиков, находящихся на подъеме. Сама сила парадокса предвещала такое его разрешение в теории, которое могло превзойти разрешение эфирных парадоксов теорией относительности. Но отказ от ЗС при отсутствии нового принципа, способного заменить его, для большинства теоретиков не имел тогда серьезных оснований.