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».

---

2. Квантовая теория поля, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой. Ее корректность была подтверждена множеством экспериментов начиная с 1970-х годов. В сильном взаимодействии участвуют кварки и частицы, состоящие из кварков, например протоны и нейтроны, которые обмениваются между собой другими частицами – глюонами. Было предпринято несколько попыток объединить квантовую хромодинамику и теорию электрослабого взаимодействия, однако поскольку в этих теориях рассматриваются колоссальные энергии, ни одну из них пока не удалось подтвердить экспериментально.

3. Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех фундаментальных взаимодействий, поэтому при изучении элементарных частиц им пренебрегают. Однако это взаимодействие наблюдается повсеместно и проявляется в виде сил притяжения на любом расстоянии. По этой причине гравитационное взаимодействие имеет огромное значение в космическом масштабе, хотя создать убедительную квантовую теорию тяготения до сих пор не удалось. Наиболее многообещающими в этом отношении являются теории суперструн, впрочем, до создания окончательной теории еще очень далеко.

Можно сказать, что целью поисков Эйнштейна было уравнение, в котором гравитация и электромагнетизм описывались бы одной функцией, то есть одним полем, как два аспекта одного явления.

В 1950-е годы Гейзенберг предпринял попытку унифицировать взаимодействия между элементарными частицами. Он исключил из рассмотрения гравитацию, поскольку силой тяготения между элементарными частицами по сравнению с тремя другими взаимодействиями можно пренебречь. Помимо электромагнитного взаимодействия, существует сильное взаимодействие, которое играет роль клея, соединяющего протоны и нейтроны в ядрах, и слабое взаимодействие, являющееся причиной бета-распада. Толчком к исследованиям в этом направлении для Гейзенберга стали последние результаты наблюдений космических лучей, предсказанные им за много лет до этого. При столкновении космических лучей с атомами атмосферы образуется множество элементарных частиц различных типов, которые участвуют в трех упомянутых выше фундаментальных взаимодействиях.

Гейзенберг взял за основу общие рассуждения, касающиеся симметрии в квантовой и релятивистской теории, чтобы обобщить три фундаментальных взаимодействия и описать их одним полем. Он обратился к Паули, однако их сотрудничество продолжалось лишь несколько лет, поскольку первоначальный интерес Паули уступил место растущему скептицизму, и в конечном итоге он прекратил работу над проектом. Спустя некоторое время Гейзенберг также вынужден был оставить работу над этой теорией. Мы знаем, что в то время были неизвестны многие свойства частиц, которые позднее сыграли важнейшую роль в попытках создать новые единые теории.

Частная жизнь

Из предыдущих глав этой книги можно понять, что биография Гейзенберга в значительной степени переплетается с историей развития квантовой механики. Однако чтобы у читателя сложилось объективное представление о Гейзенберге, следует, пусть и коротко, немного рассказать о его частной жизни.

В конце января 1937 года на музыкальном вечере молодой ученый познакомился с Элизабет Шумахер. Как они позднее рассказывали детям, любовь вспыхнула, когда Гейзенберг исполнил Трио для фортепиано соль мажор Бетховена. Последовавший разговор, в котором Вернер и Элизабет обменялись восторженными отзывами о медленном и плавном исполнении этого произведения, стал началом будущей семейной идиллии.

Эта встреча решительно изменила нашу жизнь. Мы оба почувствовали, что нашли свою судьбу.

Элизабет Шумахер о первой встрече с Гейзенбергом

Десять дней спустя Вернер и Элизабет условились о помолвке, а спустя три месяца поженились. У них было семеро детей – три сына и четыре дочери. Первые их воспоминания об отце относятся к 1946 году. До этого они не помнили чего-то интересного об ученом, который большую часть времени отсутствовал.

Дети упоминают три стороны личности отца, связанные с работой, природой и музыкой. В будние дни во время семейных ужинов Гейзенберг практически всегда молчал. Дети знали, что их отец – великий ученый, и думали, что он размышляет о важных делах, далеких от повседневной жизни. Гейзенберг редко вмешивался в домашние хлопоты, которыми занималась жена. Однако в выходные дни он преображался. Семейные вылазки на природу в окрестностях Гёттингена стали традицией. Гейзенберг организовывал для детей игры и словно вновь переживал прогулки с группой юных скаутов. Ученый редко предавался воспоминаниям, но часто и с особым воодушевлением рассказывал о своем участии в скаутском движении и среди немногих советов, данных детям, особенно настаивал на двух: они должны были вступить в какую-нибудь группу бойскаутов, чтобы изучать природу, а также заниматься музыкой. Музыка была настоящей страстью Гейзенберга, и музыкальным вечерам в его семье всегда придавалось большое значение.

Солист на один день

Фортепианный репертуар Гейзенберга состоял из сольных произведений для фортепиано и камерной музыки. Дочь Гейзенберга Барбара Блум рассказывает, что на 60-летие ученого члены его семьи и друзья приготовили ему прекрасный подарок: они собрали любительский оркестр из друзей и знакомых, чтобы Гейзенберг смог сыграть один из своих любимых концертов – концерт № 20 для фортепиано с оркестром Ре минор Моцарта. Вечер запомнился всем участникам, и десять лет спустя Гейзенберга ждал еще больший сюрприз: симфонический оркестр баварского радио предложил ему вновь сыграть этот же концерт. Этот эпизод помогает в полной мере понять, каким авторитетом пользовался Гейзенберг в обществе. Но сюрприз на этом не закончился: к еще большему удивлению Гейзенберга, друзья сказали, что хотят записать концерт. Однако подготовка ограничилась одной репетицией – Гейзенберг понял, что его музыкальные способности уступают научным. По рассказам Барбары, ранее отец обычно пропускал несколько нот в сложных пассажах или замедлял ритм, не нарушая стройности произведения, что было допустимо для музыканта-любителя, но немыслимо при исполнении под аккомпанемент профессионального оркестра. После репетиции Гейзенберг сказал музыкантам, что ему нужно много репетировать – до этого он не представлял, насколько быстро нужно исполнять это произведение двумя руками одновременно. Тем не менее дирижер и оркестранты оценили уровень игры Гейзенберга, который справился с самыми сложными пассажами, и эта первая и единственная репетиция доставила удовольствие всем ее участникам.

В первые годы после свадьбы жена часто пела песни, а Гейзенберг аккомпанировал ей на пианино. Когда две старшие дочери выучились играть на музыкальных инструментах, они вместе с отцом исполняли трио для фортепиано, скрипки и виолончели. Музыка стала для семейства частью обычной жизни: они репетировали на разных инструментах, пели соло и в семейном хоре. Одна из дочерей вспоминала, что в детстве всегда засыпала под звуки гамм и упражнений, которые исполнял на пианино отец.

Музыка была для ученого способом прикоснуться к непознаваемому. Так, в 1924 году он писал родителям из Копенгагена:

«Жить без музыки решительно невозможно. Иногда, когда мы слышим ее, то приходим к абсурдной мысли о том, что жизнь может иметь смысл».

В конце своих мемуаров Гейзенберг вспоминает, как он как-то раз услышал струнное трио в исполнении своего друга и старших дочерей:

«Я вслушивался в музыку и все больше убеждался в том, что в обозримом времени жизнь, музыка и наука неизменно двигаются вперед, пусть даже мы внесем в это продвижение лишь малую лепту и будем, как говорил Нильс, зрителями и актерами в великой драме жизни».

Наследие Гейзенберга

В конце книги вернемся к двум вопросам, поставленным во введении: каково научное наследие Гейзенберга и как следует относиться к его участию в немецкой ядерной программе? Попробуем обобщить уже изложенное.

Начнем с ответа на второй вопрос. Социальные и политические взгляды Гейзенберга сформировались в детстве и юношестве. Идеи, витавшие в его семье, Первая мировая война и тяжелое послевоенное время, падение Баварской республики и движение скаутов сыграли огромную роль в формировании у ученого особого отношения к своей стране – он одновременно «чувствовал себя ее частью и ответственным за нее», как писала его супруга. Чувство долга по отношению к Германии и осознание своей важной роли как ученого высшего уровня заставили его остаться на родине и при нацистах. В это время Гейзенберг действовал примерно так же, как Планк после Первой мировой войны: он стремился поддерживать уровень немецкой науки, который был залогом успешного будущего страны. Ученый отстаивал роль теоретической физики как важнейшего элемента в обучении молодежи, без которого было бы невозможным все то, что мы сегодня вкладываем в слова «научно-исследовательские и конструкторские работы». Однако для достижения этой цели Гейзенбергу пришлось идти на уступки и компромиссы с режимом.