Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

• Название: Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?
• Автор: Жозе Фаус
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2015

В течение многих лет Вернер Гейзенберг считался одним из самых демонических представителей западной науки. И это неудивительно, ведь именно он стоял во главе нацистской ядерной программы, к счастью, безуспешной. И все же сотрудничество ученого с преступным режимом не заслонило его огромный вклад в науку. В 1925 году Гейзенберг обобщил беспорядочное на первый взгляд скопление наблюдений в сфере квантовой физики за предыдущие десятилетия, а через два года вывел свой знаменитый принцип неопределенности. Ученый заявил, что наблюдатель влияет на созерцаемую им реальность. Этот принцип и выводы, из него следующие, заставили недоумевать многих ученых, в том числе и Эйнштейна, который, протестуя, писал: «Мне хотелось бы думать, что Луна существует, даже если я на нее не смотрю».

---

Основной интерес в курсе Зоммерфельда для него представляли дифференциальные уравнения в частных производных, которые требовались для работы над диссертацией. По просьбе службы водоснабжения Мюнхена Зоммерфельд исследовал движение воды в канализации. Диссертация Гейзенберга была посвящена теоретическому исследованию перехода от ламинарного потока к турбулентному – когда в потоке возникают завихрения. В 1880 году английский ученый Осборн Рейнольдс эмпирически обнаружил, что этот переход определяется сочетанием вязкости жидкости, скорости потока и его геометрическими характеристиками. При превышении этими величинами определенного значения возникает турбулентность. Гейзенбергу удалось подтвердить результаты Рейнольдса с помощью различных хитроумных приближений и упрощений.

Для получения докторской степени нужно было успешно сдать два экзамена. На первом испытании требовалось представить результаты исследовательской работы и ответить на вопросы экзаменаторов. С этим Гейзенберг справился без труда. Зоммерфельд подготовил необходимую характеристику, в частности он писал: «Гейзенберг вновь доказал свои выдающиеся способности: полное владение математическим аппаратом и четкое видение физики» и «Я не предложил бы столь сложную тему никому другому из моих учеников».

Второй экзамен, который назывался rigorosum, проходил в устной форме и заключался в оценке общих знаний кандидата. До экзамена Вильгельм Вин попросил Гейзенберга провести эксперимент в его лаборатории: требовалось измерить сверхтонкую структуру в эффекте Зеемана для ртути с помощью интерферометра Фабри – Перо. Как следует из названия, сверхтонкая структура описывает разделение линий спектра на гораздо меньших расстояниях, чем тонкая структура. Позднее было показано, что она определяется магнитным взаимодействием электронов. Вин остался недоволен студентом: Гейзенберг проделал работу небрежно и не вник в суть эксперимента. Так, он даже не подумал сфотографировать линии спектра, чтобы произвести более точные измерения. В результате на экзамене, который состоялся в конце июля 1923 года, Гейзенберг получил высший балл по теоретической физике и математике, на балл ниже – по астрономии и неудовлетворительную оценку по экспериментальной физике. Он не смог ответить на вопросы Вина о разрешающей способности интерферометра Фабри – Перо, телескопа или микроскопа (все эти вопросы Вин освещал в своем курсе). Также Гейзенберг не смог объяснить принцип действия аккумулятора. После долгой горячей дискуссии экзаменаторы решили поставить Вернеру минимальный проходной балл.

Эта оценка стала унизительной для юноши, и в ту же ночь, вместо того чтобы отпраздновать получение докторской степени с Зоммерфельдом и другими студентами, Гейзенберг сел на поезд и поехал в Гёттинген. Ему не терпелось узнать, не помешает ли низкий балл стать ассистентом Борна. Однако Борн, расспросив Вернера об экзамене, сказал, что не видит оснований менять планы, и обрадованный Гейзенберг отправился со своей скаутской группой на каникулы в Финляндию. В октябре 1923 года он вернулся в Гёттинген, где занял место помощника Борна и приступил к исследованиям, необходимым для хабилитации.

Глава 3 Квантовая неопределенность

Проблемы, связанные с атомной физикой и квантовой теорией, неожиданно нашли решение в период с 1925 по 1927 год.

Юный Гейзенберг сделал первый шаг к созданию квантовой механики – долгожданной теории, которая позволила бы понять явления, происходящие на атомном уровне. Он открыл знаменитые соотношения, описывающие квантовую неопределенность, и это стало самым известным его достижением в области физики. Одновременно с появлением квантовой механики возникли философские проблемы, связанные с интерпретацией ее законов.

Приезд Гейзенберга в Гёттинген совпал по времени с гиперинфляцией в Германии. К примеру, с января по ноябрь 1923 года курс американского доллара изменился с 17792 марок за доллар до астрономической цифры в 4,2 млрд марок за доллар. Зарплаты выплачивались каждые два дня, и люди без промедления покупали еду или любые товары, которые позднее можно было обменять на продукты. В этой ситуации основную роль в сохранении немецкой науки сыграла Чрезвычайная ассоциация немецкой науки. К примеру, Комиссии по электрофизике удалось получить пожертвования от американской компании General Electric не только на реализацию технических проектов и проведение экспериментов, связанных с электричеством, но и на исследования по атомной физике и квантовой теории. В заявлении Чрезвычайной ассоциации от 1926 года говорилось:

«Как известно, квантовая механика находится в центре внимания физиков всех стран. Работа Гейзенберга и Борна при поддержке Комитета по электрофизике, без которой, весьма вероятно, она была бы проведена не в Германии, а в другой стране, доказала полезность Комитета по электрофизике в развитии физики в Германии».

Таким образом, можно сказать, что руководство компании General Electric, не осознавая того, профинансировало создание квантовой механики.

В этой главе мы расскажем об интерпретациях квантовой механики, появившихся в период с 1923 по 1927 год, когда Гейзенберг работал то в Гёттингене с Максом Борном, то в Копенгагене с Нильсом Бором. В эти годы он также иногда приезжал в Мюнхен к родителям, а отпуски проводил в путешествиях по Европе с группой скаутов.

Между Гёттингеном и Копенгагеном

В сентябре 1923 года Гейзенберг прибыл в Гёттинген и стал ассистентом Борна, чтобы получить хабилитацию. Финансирование, выделяемое Чрезвычайной ассоциацией, не покрывало всех расходов, и университетские преподаватели были вынуждены самостоятельно искать средства на выплату зарплат ассистентам и стипендий докторантам. Борн пользовался поддержкой немецкого промышленника Карла Штилля и американского банкира Генри Голдмана (основателя банка Goldman Sachs).

Профессор продолжал свои исследования, взяв за основу результаты, полученные согласно законам небесной механики. Гейзенберг уже был знаком с этими работами Борна, но с трудом мог оценить их. Напомним, что молодой исследователь создал модель каркаса атома, чтобы объяснить удвоение и утроение линий атомного спектра. Когда было обнаружено новое деление линий спектра, проницательный Гейзенберг нашел схему, позволяющую воспроизвести их, применив так называемый принцип Зеемана ad hoc, что, вслед за Ницше, можно было назвать философствованиями с помощью молотка [1 От названия книги Ницше «Падение кумиров, или О том, как можно философствовать с помощью молотка» (также известна как «Сумерки идолов, или Как философствуют молотом»). В этом сборнике коротких эссе критикуется общественное понимание различных философских понятий. – Примеч. ред.]. Физики в то время при изучении линий атомного спектра действовали примерно так же, как зоологи и ботаники, классифицируя биологические виды. В отсутствие согласованной атомной теории данные о спектрах классифицировались на основе полуэмпирических правил со множеством поправок. Так же поступал и Гейзенберг: он связывал непрерывную энергию и дискретные переходы между состояниями с помощью достаточно произвольных правил, которые не соответствовали какой-либо общей схеме. Борн решил пойти от обратного: он взял за основу законы небесной механики, однако сколько-нибудь значимых результатов не получил.

В марте 1924 года Гейзенберг на несколько недель приехал к Нильсу Бору, в копенгагенский Институт теоретической физики.

Бор – первый ученый, который произвел на меня сильное впечатление как человек. Он всегда выступает с положительной критикой […], он намного больше, чем просто физик.

Гейзенберг в письме к родителям

Гейзенберг много времени проводил в библиотеке над книгами по физике, чтобы «повысить общий уровень знаний». В этот период Бор был готов предположить, что на атомном уровне не выполняются даже фундаментальные физические законы, такие как закон причинно-следственной связи или сохранения энергии и импульса. Любопытно, что Бор не сразу принял гипотезу Эйнштейна о квантах света, экспериментально подтвержденную американским ученым Комптоном в 1923 году. Комптон доказал, что взаимодействие между лучом света и электроном объясняется точно так же, как и столкновение двух бильярдных шаров. Несмотря на это, Бор создал свою модель – модель Бора, Крамерса и Слэтера (БКС), в которой фундаментальные физические законы выполнялись лишь для большого числа соударений. Однако модель БКС отвергли в 1925 году, когда экспериментально было доказано, что эти законы выполняются и при отдельных столкновениях фотонов и электронов.

Гейзенберг общался с авторами модели БКС и пытался проникнуться духом физических идей Бора. По возвращении в Гёттинген он занялся написанием работы для хабилитации, посвященной модели Зеемана ad hoc. В июле 1924 года Гейзенберг получил право занять должность преподавателя в любом немецком университете. Ученому было всего 22 года.