Пятьдесят оттенков квантового

Под знаком просветительства

21 ноября 2013 года состоится церемония вручения премий «Просветитель», на которой мы узнаем имена главных просветителей этого года. Напомним, что одним из лауреатов премии «Просветитель» 2009 года стал членкор РАН Леонид Пономарев и его книга «Под знаком кванта». Это поистине легендарная книга, ведь она была переведена на 16 языков, и во многих странах используется как пособие по истории физики. Первый вариант книги «По ту сторону кванта» увидел свет в 1971 году, затем дополненные издания «Под знаком кванта» вышли в 1984, 1989 и 2007 годах. Окончательная версия книги появилась в 2012 году, и Леонид Иванович отмечает, что всё, точка поставлена, пора приниматься за новую работу.

Член жюри премии Алексей Семихатов посвятил свою статью внимательному разбору легендарной книги Леонида Пономарева «Под знаком кванта».

Непослушное дитя XX века — плод страсти своих родителей, смело шагнувших за рамки традиционности, — никакой не I’enfant terrible, оказывается, а скорее уж — Посланник, явление которого есть большая удача для всех последующих поколений.

Это резюме, развернутое обоснование такого взгляда на квантовую механику, занимает более 400 страниц. Что же там?

1. Личная квантовая механика.

Помимо самой квантовой механики в тексте весомо присутствует автор (хоть и обошедшийся без единого «я»). Он видится как моралист, причем совершенно того не стесняющийся. Каждая глава начинается с сентенции общего порядка — о науке, о познании, о характере физических законов и т.п.; практически все удачные. Да и текст в целом содержит немало «мета»-рассуждений об устройстве науки, о зигзагах в развитии нашего понимания природы, об отчаянии тупиков и о триумфах преодолений. Приведены они, в основном, очень к месту, а нередко оказываются частью сюжета. «Мета»-выводы собраны вместе в последней главе; более известный моралист поступил похожим образом в эпилоге «Войны и мира».

У каждого, кто думал о квантовой механике, она до некоторой степени своя. Леонид Пономарев делает свою книгу неповторимой уже тем, что не «излагает стандартный набор сведений о предмете», а выражает то, что лично его волнует. Если отвлечься от всей конкретики, то фокус — на жизни идей и жизни ученых среди идей. Ведь квантовая механика — это несколько нетривиальных идей, да еще соединенных вместе способом, который долго казался невозможным. Есть ли лучший предмет для демонстрации того, как сумасшедшие факты, после десятка лет отчаянных усилий и поиска наощупь, приводят к чему-то, что в бесконечное число раз превосходит любое количество фактов -к качественно новой картине мира?

О фактах: их много. С ними удалось сделать две «дополнительные» вещи, если выражаться языком Нильса Бора. Читатель узнает о явлениях, которые шли вразрез с картиной мира на момент их открытия; некоторые были обнаружены случайно, за ними следовали найденные уже целенаправленно, но не демонстрирующие никакого порядка. Читателю недолго и запутаться (причина, по которой, похоже, столь немногие учебники по квантовой механике рискуют подробно останавливаться на «предыстории», и столь многие спешат перейти к «формализму»). Но — чудо — на наших глазах из фактов вырастают концепции. Автор при этом не боится сначала изложить лишь часть полной концепции, а часть отложить до появления следующей порции фактов. Опять могла бы получиться путаница — но выстраивается осязаемая и убедительная картина.

Удалось (почти) избежать и другой крайности. Рассказчик истории, мотивировки которой черпались из нескольких областей знания, рискует вынужденно замахнуться на «Краткую историю естествознания». Однако баланс между лаконичностью и энциклопедичностью удалось соблюсти, и это еще один успех (да, из-за потакания личным предпочтениям).

2. Аспекты истории. Автор внимателен к личностям ключевых участников истории о создании квантовой механики. Не в смысле тупого пересказа биографий — эта книга максимально далека от множества современных поствикипедийных компиляций, где появлению того или иного ученого, за неимением другого материала, надо-не-надо предпосылается отчетец о том, какой пост в каком именно городке занимал его отец, в какой церкви венчались его родители и т.п.

Пономарев рассказывает о некоторых эпизодах биографии, а иногда и кое-что о родителях ученого (когда речь идет о научных династиях), если эти эпизоды составляют часть сюжета. Поскольку один и тот же эпизод (скажем, чей-нибудь приезд в Копенгаген или обед вместе с Э. Ферми) может иметь далеко идущие и разнообразные последствия, некоторые истории упоминаются определенно более одного раза. (То же и с «неодушевленными» фактами: то или иное открытие, имевшее различные следствия, может упоминаться в каждой из нитей рассказа, причем без ссылок на предыдущие упоминания; я твердо решил для себя, что это не недостаток, и что «оптимизация» изложения лишила бы книгу части ее колорита.)

Автор с большим пониманием относится к своему положению на плечах гигантов. Он предлагает и учит смотреть на происходившее в науке глазами современников. Большая удача здесь — никакого снисходительного тона «с высот современного знания». Уважительное отношение к идеям вообще, к познанию. Мы ясно видим, в каких реалиях развивалась мысль в тот или иной период, что считалось непонятным в первую очередь, в чем состояла инерция мышления. Это позволяет оценить и истинный масштаб открытий, и влияние сопутствующих факторов (таких как удача или, опять же, приезд в Копенгаген).

Заметное место уделено сомнениям ученых, и даже терзаниям. Но при этом, говоря о состоянии науки, скажем, в ранний период изучения радиоактивности, автор умеет не покидать современных воззрений на природу вещей, показывая, как появлявшиеся идеи складывались вместе, формируя современную картину. А некоторая бесстрастность в отношении ко всему, что не буквально является идеей, выражается, например, так: «Последующие поколения, как правило, полностью равнодушны к личным недостаткам ученого. Они помнят только лучшее в нем — его идеи. Быть может, в этом и состоит одна из причин человеческого прогресса».

3. Ядро книги: что такое атом? Пономарев задает этот вопрос большее, пожалуй, число раз, чем Толстой спрашивает: «Какая сила движет народами?» Ответ возникает — формируется — постепенно, по мере того, как развиваются способности читателя к восприятию (вполне метафора самой квантовой механики, где, как известно, «наблюдение над явлением формирует само явление»).

Вопрос «что такое атом?» задается снова, несмотря на то, что какой-то ответ был получен в предыдущей итерации. Каждая итерация вроде бы многое проясняет, но следующая может сообщить нечто «ортогональное», в чем автор отдает себе полный отчет (предвкушая, возможно, еще и следующий поворот). На очередной итерации я поймал себя на том, что перестал относиться к этому вопросу как к решенному. Он становится не просто вопросом об атоме или о строении мира. Он превращается в приглашение к созданию теории («Теория — это объяснение видимой сложности явлений невидимой простотой») и, вообще, к теории познания, иллюстрируемой рассказом о становлении квантовой механики.

Книга разбита на три части: «Истоки» (главы 1-5), «Идеи» (главы 6-11) и «Итоги» (главы 12-20). Роль эпилога играет четвертая часть, «Размышления», состоящая из одной главы. Максимально кратко: «Истоки» — это атомистика (начиная с восходящих к античности элементов, но с массой более современных подробностей, часто неожиданных), спектры (продуманно и целенаправленно, нить рассказа бьет точно в цель), опыты Резерфорда, теория Бора. Ура, мы узнали, что такое атом?

«Идеи» начинаются с пессимизма и отчаяния по поводу развития теории Бора; затем собственно эпоха Sturm und Drang: сначала Гайзенберг и Макс Борн, потом, через де Бройля, переходим к Шрёдингеру, и далее — принцип неопределенностей, после чего — вероятности и, наконец, «что такое атом» и что такое физическая реальность; кульминация — принцип дополнительности, которым автор наслаждается.

«Итоги» — радиоактивность (начинаем с того, что возвращаемся к Беккерелю), изотопы и распады, туннельный эффект, искусственная радиоактивность, после чего цепная реакция, разделение изотопов, критическая масса и бомбы; далее ядерная энергетика и превращения элементов в звездах, затем элементарные частицы и Периодическая таблица. Круг замкнулся, мы вернулись к элементам.

А что же есть истина? «За последние 100 лет не сделано ни одного опыта, который противоречил бы созданной нами картине. Поэтому лучше говорить не об ее истинности, а об ее плодотворности — о том, насколько она помогает нам объяснять и предсказывать особенности атомных явлений». И тут же: «Нам не так уж необходимо знать «как выглядит атом на самом деле»», мы можем предсказать всё: как изменится цвет тела при нагревании, какие спектральные линии оно при этом испустит, и как изменится их частота, если поместить тело в электрическое или магнитное поле. Мы можем предсказать форму кристаллов, их теплоемкость и электропроводность. Мы можем, наконец, построить атомную электростанцию и атомный ледокол — они будут работать. И всё это — без малейших ссылок на истинную форму атома».

4. Ядро атома и ядерное-что-получилось. Нам сильно повезло, что возникла квантовая механика. Основных эффектов, подтверждающих этот тезис, автор видит два: переворот в картине мира и ядерная энергия / энергетика. И основных сюжетов рассказано два, «теоретический» и «экспериментальный»: создание квантовой механики и изучение радиоактивности и распадов ядер.

Про атомное ядро вопрос «что это?» не задается (усвоили достаточно про атом). Понимание радиоактивности, изотопов и цепочек превращений, изучение деления и сопутствующих явлений, построение дальней части Периодической таблицы — уже не материал для выработки концепций, а полигон для их применения. Впрочем, и здесь есть место истории — интереснейшим историям, таким как драматический обмен письмами между ключевыми действующими лицами при открытии деления урана, с 19 декабря 1938 по 26 января 1939. В некий момент время начинает тикать уже не по дням, а по часам, а напряжение растет, как будто проходят секунды обратного отсчета: «Во второй половине дня 13 января Фриш начал готовить эксперимент по проверке гипотезы о делении ядер урана. Уже к 6 часам утра 14 января он убедился в том, что гипотеза о делении верна…» (За 14 лет до того Гайзенберг, уединившись на острове, тоже не пытался заснуть, когда понял, что внезапно «стал обладателем всех этих сокровищ» — совершив прорыв с помощью не экспериментальной установки, а ручки и бумаги.)

Особая удача — рассказ про изотопы. И в историческом, и в содержательном аспектах (здесь же, скорее как исключение, иллюстрации не отвлекают, а помогают).

Отдельная глава посвящена ядерной энергетике. Это не совсем то же самое, что принципы квантовой механики, но автора энергетика волнует (вплоть до энергетического баланса человека и роли хлорофилла в поддержании жизни на Земле), а кроме того, он стремится развеять психоз по поводу атомных станций. Насколько удалось последнее?- сначала произносится нечто вроде гимна всей идее, за которой следует легкая полемика с оппонентами, и лишь потом пару раз упоминается «основная проблема» — оказывается, она есть. Здесь же легкий технический сбой: одна и та же история (начиная с открытия, сделанного в лаборатории Ферми, и далее) оказалась повторена дважды почти буквально.

К теме ядра/энергии примыкает глава, номинально посвященная Солнцу; в действительности же здесь рассказано и о механизме синтеза элементов в звездах — этапе развития Вселенной, необходимом для нашего существования. Интересно, но сжато. Совсем конспективно затронута и эволюция Вселенной (не вполне, заметим, раздел квантовой механики). Получившийся «Конспект истории Вселенной» отличается отсутствием указаний на то, почему происходит то-то и то-то, и как об этом узнали — при том, что именно на вопросы «почему?» и «как?» в большинстве других мест книга отвечает. Вместе со звездами и Солнцем здесь и про хлорофилл.

5. Стиль. Ключевое отличие от (хороших) популярных книг нового поколения — есть место сложности. Метафор автору не занимать, но ими он не ограничивается. Текст содержит формулы — вещи, как ныне считается, убийственные для научно-популярной книги. Эффект двоякий. Удается донести ощущение, что «всё на самом деле». Но при этом фактор отпугивания, конечно, никто не отменял. Появление части формул удачно смягчено предложением читателю воспринимать их как картинки, «иероглифы», указующие на некоторые явления (вообще, временами автору приходится мягко увещевать читателя: да, не всё легко понять, но надо потерпеть, потом станет хорошо).

Но ближе к концу появляются и формулы «всерьез» — некоторые, на мой взгляд, лишние (что может понять читатель, не сдавший ни одного экзамена по квантовой механике, из формулы на стр. 241? Зачем к одной из глав сделано дополнение о соотношении неопределенностей «энергия-время»? Оно выглядит заимствованием из учебника, а вынужденная конспективность оставляет шансы разобраться  только тому читателю, который уже прочитал его).

Существенная часть квантовой механики — «матричная механика», появление которой описано вполне захватывающе. Про матрицы ясно сказано, что это таблицы, появившиеся как отклик на парадоксы того времени, когда Природа, казалось, противоречила самой себе; рецепт спасения — по поводу которого мы переживаем вместе с ключевыми действующими лицами — состоял в том, чтобы записывать лишь то, что инструментально доступно, не следуя довлеющей интуиции. Получились матрицы. Не знаю, можно ли рассказать яснее. Но далее приведены матричные формулы, часть из которых может оставить читателя в недоумении (скажем, в x_nkp_kn — p_nkx_kn = iℏ нет пояснений, что по букве k здесь подразумевается суммирование, а по n — нет; иероглифы?).

Большая удача без всяких оговорок — «волновая» ипостась квантовой механики, где удалось рассказать о собственных функциях, обойдя стороной радикальные математические усложнения, да еще привязать эту абстракцию к «форме атома», сделав их (eigen-функции) едва ли не осязаемыми. Почти столь же хорошо рассказано про спин.

Практически для всех упоминаемых ученых приведены даты жизни. И отдельное спасибо за хронологическую таблицу, в которой графически представлены периоды жизни главных участников. Это не всё: в книге есть именной указатель — и это вопреки ужасной отечественной традиции на сей счет. Трудно сказать, однако, какая традиция подсказала транслитерацию имени Юджина Вигнера: при всех поворотах его карьеры (включавшей кожевенную мастерскую в Венгрии) не вполне понятно, почему он оказался Евгением. Прекрасно, что в конце книги приведена таблица нобелевских лауреатов (не забыты физики — лауреаты по химии!). Но Нобелевские премии присуждали и после 2000 года, на котором таблица обрывается.

В каждой главе имеется нечто вроде приложения — рубрика «Вокруг кванта», читать которую, вероятно, можно не в линейном порядке; рубрика удачно выделена форматом: набрана не в две, как остальной текст, а в одну колонку, и с большими полями, на которых располагаются цитаты-афоризмы и портреты ученых (ура! Отечественные издания перестали облегчать усилия типографии и стали вместо этого облегчать читательское восприятие напечатанного). Афоризмы почти все прекрасны. Конечно, они коррелируют с тем, что излагается рядом, несколько опосредованно, но некоторое отношение, несомненно, имеют. Портреты же ученых привязаны к тексту слабее, чем даже афоризмы: портрет Саади Карно сопровождает рассказ о природном ядерном реакторе Окло, упомянутую переписку декабря 1938 — января 1939 года (Ган, Мейтнер, Фриш и Штрассман), иллюстрирует портрет Энрико Ферми, а краткий очерк о Бошковиче— портрет Эрвина Шрёдингера и т.п. (правда, очерк об Эренфесте проиллюстрирован портретом Эренфеста); ну может и ничего, что некие «квантовые флуктуации» вносят оживляющий беспорядок в «тривиальную» расстановку.

У глав нет «имен». Точнее, их имена звучат как «Первая», «Одиннадцатая», и т.п. К ним добавлено краткое содержание главы — от трех до девяти пунктов, плюс один или больше пунктов в «Вокруг кванта». Возможно, отсутствие «готовых» однозначных наименований вещей способствует размышлениям об их природе.

6. Гуманитарные аспекты. Вечная тема при обсуждении естественнонаучных текстов. Если любознательный читатель-гуманитарий решится открыть эту книгу, то самое серьезное испытание ему предлагают пройти безотлагательно: на 9-й строчке первой главы говорится, что в наше время все слышали про что-нибудь «квантовое», а еще в XIX веке и слова-то такого quant не было.

Слова и правда не было, как нет его и поныне; зато со времен, наверное, законов XII Таблиц есть слово quantum, с многочисленными производными. Шансы нашего воображаемого гуманитария на знакомство с книгой можно было бы повысить, заменив пассаж про несуществующее псевдолатинское слово приводимым далее в книге сравнением: выучить матричное исчисление проще, чем выучить латынь (а заодно убрав сомнительную этимологию слова «элемент[ы]»).

Может быть потенциального читателя-гуманитария призваны привлечь иллюстрации? Мне они определенно не близки: малоинформативны, склонны отвлекать от содержания своей «абстрактностью», а поясняют содержание далеко не везде, где это несложно было бы сделать с помощью менее претенциозной картинки. Но я подозреваю, что мои возражения сродни кампании, которая велась против уродующей город башни Эйфеля в первые годы ее существования — иллюстрации превратились уже в часть стиля «Под знаком кванта», изменить который нельзя, не нарушив восприятия всего явления, ставшего классическим.

7. Чего в книге нет, а что лишнее.

Не очень честно упрекать какую-либо книгу за то, чего в ней нет. Поэтому упрек у меня один: в книге, где: а) много внимания уделяется личностям ученых; б) говорится, причем не раз и по существу, об ответственности ученых и о моральных страданиях тех, кто открыл дорогу, приведшую, среди прочего, к ядерной бомбардировке Японии; в) обсуждается не просто ядерное оружие, но в том числе и водородная бомба; г) упомянут Э. Теллер — в этой книге не упомянут А.Д. Сахаров.

А теперь, уже без намека на упрек, о том, что в этой книге могла бы, в принципе, присутствовать такая часть истории квантовой механики, как разнообразные интригующие подробности и повороты дискуссии Эйнштейна с Бором; парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и всяческие разветвления сюжета, вплоть до неравенств Белла. Обсуждение этих тем, если бы оно состоялось, по необходимости затронуло бы и развитие такого метода познания, как мысленный эксперимент.

Недавно, более того, некоторые из ключевых мысленных экспериментов перестали быть только мысленными — их поставили. На того читателя, которого Пономарев до некоторой степени воспитал своей книгой, произвел бы впечатление рассказ о том, что славные страницы истории человеческой мысли удалось воплотить в экспериментах и в результате инструментально убедиться в том, что квантовая механика ведет себя именно так, как ей полагается, нимало не беспокоясь о наших проблемах ее интерпретации. Вместе с запутанностью состояний не упомянуты или почти не упомянуты квантовая криптография, квантовая телепортация, квантовые компьютеры (а здесь тоже появились эксперименты).

Традиционный пример проявления квантового поведения на макроуровне, который обойден стороной,— сверхпроводимость. Я сознаю, что это отдельная большая тема, и что расширить рамки законченного высказывания, каковым является хорошая книга, всегда нелегко. Насколько это нелегко, видно из добавленной в последнее издание главы «Девятнадцатой», про элементарные частицы.

Предпринятая там попытка рассказать обо всем — от открытия нейтрона до стандартной модели, о фейнмановских диаграммах, о калибровочных теориях и т.д., и т.п. — заранее обречена. Такое можно втиснуть в три десятка страниц разве что в не предназначенном для линейного чтения стиле справочника. К сожалению, не получилось и справочника: с одной стороны, текст содержит явные повторы, а с другой — оперирует понятиями, на определения которых просто не хватило места.

Заметно и достаточно сырое состояние текста, особенно по сравнению с другими главами: вблизи фразы «в том же году триумфально подтвердилось» нет никаких указаний на год; изотопическим спином называется то сам спин, то его проекция, да, собственно, к моменту, когда он появляется, понять что-либо уже не представляется возможным; на какого читателя рассчитан вдруг появляющийся «истинный изотопический синглет»? Как интерпретировать «потому что» во фразе «Глюоны могут взаимодействовать непосредственно, потому что несут по два цвета»? А главное — начисто «сбит» стиль, дидактика: используемый понятийный ряд подразумевает знания, превосходящие те, которые отсюда можно почерпнуть. Во всей остальной книге картина обратная.

8. Глава «Двадцать первая». В этой завершающей главе автор отступает на несколько шагов в сторону от нарисованной им монументальной картины и смотрит на нее, вооружившись мудрым скептицизмом; в поле зрения при этом попадают и другие продукты человеческого интеллекта и духа. Здесь обсуждаются научная картина мира вообще (где царит Платон, однако не забыта и предсказательная сила науки), границы науки (опять же Платон, но: «быть может, когда-нибудь мы сможем… как узник Платона, вырвавшийся из пещеры, восстановить… истину во всей полноте и блеске»), ее взаимоотношение с искусством и даже религией.

О науке в целом: «Факты и понятия науки могут показаться случайными хотя бы потому, что установлены в случайное время, случайными людьми и часто при случайных обстоятельствах. Но, взятые вместе, они образуют единую закономерную систему, в которой число перекрестных связей настолько велико, что в ней нельзя заменить ни одного звена, не затронув при этом остальных. Под давлением новых фактов система эта непрерывно меняется и уточняется, но никогда не теряет целостности и своеобразной законченности. Нынешняя система научных понятий — продукт длительной эволюции: в течение многих лет (и веков) старые звенья в ней заменялись новыми, более совершенными, и даже истинно революционные открытия всегда возникали с учетом и на основе прежних знаний».

И тут же: «Далеко не всё можно разложить на элементы и представить в виде формул и чисел, но не стоит огорчаться по этому поводу: ведь это означает просто, что мир богаче и сложнее, чем его образ, даваемый наукой». В наблюдениях по поводу религии можно усмотреть легкую непоследовательность, но резюме, пожалуй, таково: «В наш просвещенный век религии не осталось места в научной картине мира. Однако дух ее обычно возвращается, как только наука достигает своих естественных пределов, — будь то проблема происхождения жизни на Земле или вопрос о начале мира».

9. Итоги. Затронутые в книге различные темы, взятые вместе, образуют единую закономерную систему, в которой не так просто что-нибудь изменить. Со времени первого издания система эта уточнялась, но никогда не теряла целостности и своеобразной законченности. Далеко не всё можно вместить на страницы одной книги, но не стоит огорчаться по этому поводу: ведь это просто означает, что квантовая механика богаче и сложнее, чем любой ее образ.

И еще: наблюдательный факт состоит в том, что число потенциальных читателей, интересующихся квантовой механикой — да и вообще склонных воспринимать науку как достойное внимания проявление человеческого духа, — не растет с течением времени. А книга Леонида Пономарева обращена в первую очередь к ним. Но глубина, охват и продуманность изложения делают книгу явлением — причем таким, которое способно повлиять на само количество потенциальных читателей.

Алексей Семихатов