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».

---

В октябре 1920 года Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, где, как и во многих немецких вузах того времени, настроения все больше приобретали правый уклон. Гейзенберг хотел посвятить себя математике и последовать отцовским путем, то есть закончить обучение, получить степень доктора, преподавать в Максимилиановской гимназии и одновременно заниматься исследованиями, необходимыми для хабилитации, и, наконец, возглавить кафедру в университете.

Чтобы получить докторскую степень, требовалось закончить шесть семестров (примерно по четыре месяца в каждом) и записаться на семинар к одному из преподавателей. Студенты, допущенные к семинарам, изучали специализированные темы, вели собственные исследования, публиковали статьи в профильных журналах. Как правило, на семинар записывались студенты последних курсов, но Гейзенберг вспоминал: «[Я] был нескромен и посчитал, что уже в первом семестре могу записаться на семинар к одному из преподавателей». К этому времени он уже самостоятельно изучил дифференциальное и интегральное исчисление, теорию чисел и решил, что обладает достаточными знаниями математики. Однако, как признавался Вернер спустя несколько лет, его знания были достаточно беспорядочными и обрывочными.

Отец Гейзенберга обратился к математику Фердинанду фон Линдеману, который был известен тем, что доказал: число тт трансцендентно, то есть не является корнем многочлена с целыми коэффициентами. Из этого следовало, что с помощью циркуля и линейки нельзя построить квадрат, площадь которого будет равна площади данного круга, то есть древняя задача о квадратуре круга не имеет решения. Линдеману не очень хотелось допускать на свой семинар первокурсника, и он воспользовался первой же возможностью, чтобы избавиться от юноши. Профессор на собеседовании поинтересовался у Вернера, какие книги по математике тот недавно прочел. Гейзенберг упомянул «Пространство. Время. Материю» Германа Вейля. Эта книга, написанная специалистом по прикладной математике, превосходно подходила для физика, но не для того, кто интересовался теоретической математикой. Линдеман сказал, что после труда Вейля Гейзенберг потерян для математики. На том встреча и завершилась.

Арнольд Зоммерфельд

Математик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951) защитил в 1891 году докторскую диссертацию под руководством Фердинанда фон Линдемана. Зоммерфельд работал с Феликсом Клейном в Гёттингене, где получил хабилитацию в 1895 году. Проработав некоторое время в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена, в 1906 году он переехал в Мюнхен, где возглавил кафедру теоретической физики. В своих исследованиях Зоммерфельд постепенно перешел от теоретической к прикладной математике, в частности к гидродинамике. Позднее он заинтересовался спектроскопией и атомной физикой, и его институт теоретической физики стал важнейшим исследовательским центром в этих сферах. В 1919 году вышла книга Зоммерфельда «Строение атома и спектры», с которой в течение многих последующих лет просто обязаны были познакомиться все ученые, интересовавшиеся этой темой. Однако современники отмечали и другой талант Зоммерфельда – удивительный дар преподавания.

Эйнштейн писал ученому:

«Меня восхищает в вас то, что вы воспитали много талантливых юных ученых […] Вы, должно быть, обладаете даром пробуждать умы слушателей и обогащать их».

Гейзенберг говорил о способности Зоммерфельда вызывать у учеников интерес к решению новых задач. Его докторантами были ученые, сделавшие вклад в разные области теоретической физики: Петер Дебай, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Пауль Петер Эвальд, Ханс Бете, Вальтер Гайтлер, Рудольф Пайерлс, Юджин Финберг и Леон Бриллюэн.

Смущенный юноша счел, что альтернативой математике может стать теоретическая физика. Отец сомневался в выборе сына: это научное направление не считалось очень престижным, да и получить место преподавателя гимназии с таким дипломом было затруднительно. Тем не менее он задействовал свои связи и организовал встречу Вернера с преподавателем теоретической физики Арнольдом Зоммерфельдом, который уже привык к вундеркиндам – двумя годами ранее он принял на свой семинар австрийца Вольфганга Паули, также первокурсника. Кроме того, Зоммерфельду понравилось, что Гейзенберг прочел книгу Вейля. Он остался доволен итогами беседы и включил нового студента в число участников семинара, намереваясь получше присмотреться к юноше уже по ходу работы.

Я помню лишь, что выступил очень плохо, поскольку Зоммерфельд позднее сказал мне: «Возможно, вы понимали себя самого, но, несомненно, не смогли донести это до остальных».

Гейзенберг о первом выступлении на семинаре Зоммерфельда в беседах с историком науки Томасом Куном, 1963 год

Физическое направление в Мюнхене курировали Арнольд Зоммерфельд и Вильгельм Вин. Последний занял должность преподавателя экспериментальной физики в Мюнхене в 1920 году, после того как в отставку вышел Рёнтген, первооткрыватель рентгеновских лучей. Гейзенберг должен был сдать необходимые экзамены, а также прослушать курсы по теоретической и экспериментальной физике, астрономии, физической химии, теории функций и дифференциальной геометрии. Лекции Зоммерфельда, охватывавшие весь курс теоретической физики, длились шесть семестров и включали следующие дисциплины: «Механика», «Механика деформируемого твердого тела», «Электродинамика», «Оптика», «Термодинамика и статистическая механика» и «Дифференциальные уравнения в частных производных в физике». Если студент включался в учебу после начала цикла лекций, то первые несколько семестров он должен был самостоятельно изучить пропущенный материал, чтобы затем присоединиться к группе Зоммерфельда. Гейзенбергу повезло: он поступил в университет, когда цикл лекций только начался, и закончил его за шесть семестров. Помимо этого, Гейзенберг должен был пройти специальные курсы на семинаре Зоммерфельда и выполнить назначенные задания.

Институт теоретической физики

В немецких университетах со времен реформы, начатой Вильгельмом фон Гумбольдтом, обучение было неотделимо от исследовательской работы. Каждый заведующий кафедрой возглавлял исследовательский институт, сотрудники которого занимались преподаванием и проводили исследования в зависимости от специализации профессора. Зоммерфельд уделял много времени своим студентам и с самого начала привлекал их к исследовательской работе. Так он мотивировал своих докторантов и одновременно оценивал их способности. Для этого Зоммерфельд проводил общее обсуждение недавно вышедших статей или писем от своих коллег, просил участников семинара проверить правильность своих расчетов или выкладок. Самым способным студентам профессор поручал проверку собственных рукописей, предлагал проанализировать новые результаты экспериментов, решить некоторые задачи и провести исследования на определенные темы. Все студенты без исключения были обязаны периодически представлять результаты своей работы перед остальными и отвечать на вопросы аудитории.

Когда Гейзенберг поступил в институт, Вольфганг Паули начал пятый семестр и был вторым помощником Зоммерфельда. Паули был вундеркиндом: к тому времени, когда он прибыл из Вены в Мюнхен, он уже успел опубликовать статью по общей теории относительности. Во время обучения Паули написал введение в теорию относительности, которое до сих пор считается прекрасным пособием по этой теме. Гейзенберг и Паули вместе посещали семинары Зоммерфельда всего два семестра, но этого было достаточно, чтобы между ними завязалась дружба. Гейзенберг всегда ценил критику Паули, несмотря на острый язык товарища: «Сколько раз он говорил мне: „Это чушь“».

В системе Зоммерфельда одаренные студенты могли получить докторскую степень практически сразу по окончании обучения – именно так и произошло с Паули и Гейзенбергом. Однако такой подход мог быть чреват большими пробелами в образовании – Зоммерфельд считал, что его студенты должны самостоятельно изучать те разделы физики, которых он не касался. И этим он отличался от своего коллеги Вильгельма Вина, который требовал, чтобы студенты вначале получили фундаментальные знания, а уже затем участвовали в исследовательской работе. В результате после окончания обучения математическая эрудиция Гейзенберга была недостаточной, а его пробелы в физике едва не помешали молодому человеку получить докторскую степень. К тому времени, как Гейзенберг начал участвовать в семинарах Зоммерфельда, он уже несколько лет занимался изучением атомных спектров и моделей атома.