Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

• Название: Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
• Автор: Манжит Кумар
• Жанр: Физика

     Однажды, когда Чарли Чаплина и Альберта Эйнштейна окружила восторженная толпа, Чаплин заметил: “Меня приветствуют потому, что меня понимают все, а вас — потому, что не понимает никто”. С тех пор наука стала еще менее доступной пониманию публики. Английский журналист рассказывает о проблемах, занимавших физиков первой половины XX века, искусно соединяя описание человеческих черт “небожителей” — авторов квантовой теории — с рассказом о трудной, но веселой науке, которую они творили. Что получилось? Биография идеи, которая читается как триллер. Путеводитель по парадоксальному миру. Научно-популярная книга, которая сбивает с толку и дает почувствовать себя почти гением.

---

Эйнштейн вычислил, какое среднее расстояние по горизонтали пройдет частица за единицу времени при таком зигзагообразном движении. Он предсказал, что при температуре воды в 17°С частица диаметром в одну тысячную миллиметра за минуту сдвинется в среднем на шесть тысячных миллиметра. Эйнштейн предложил формулу, позволявшую измерить размер атома, имея только термометр, микроскоп и секундомер. Тремя годами позднее, в 1908 году, предсказание Эйнштейна было подтверждено тонкими экспериментами, выполненными в Сорбонне Жаном Перреном. В 1926 году он получил за эту работу Нобелевскую премию.

Планк поддержал теорию относительности, а анализ броуновского движения посчитал решающим доказательством существования атома. Этого было достаточно, чтобы репутация Эйнштейна крепла, хотя его квантовая теория света не встречала понимания. Нередко адресованные ему письма приходили на адрес университета в Берне. Мало кто знал о том, что Эйнштейн служит в патентном бюро. “Должен сказать честно, я был поражен, прочитав, что вы должны отсиживать в конторе восемь часов в день, — писал ему Якоб Лауб из Вюрцбурга. — У истории припасено много неудачных шуток”77. В марте 1908 года с этим согласился и Эйнштейн. После шести лет работы он уже не хотел быть “батраком патентного бюро”.

Эйнштейн предложил свои услуги школе в Цюрихе. Им требовался учитель математики, но он заявил, что готов и желает преподавать также физику. К прошению была приложена копия диссертации: в 1905 году ему удалось с третьей попытки защитить ее в университете в Цюрихе. Диссертация послужила основой статьи о броуновском движении. Считая, что это повысит его шансы, он послал еще и все свои опубликованные работы. Всего на должность претендовал двадцать один человек. Несмотря на впечатляющие научные достижения, Эйнштейн не попал даже в шорт-лист из трех кандидатов.

По настоянию Альфреда Клейнера, профессора экспериментальной физики в Цюрихском университете, Эйнштейн сделал третью попытку стать приват-доцентом (лектором без жалованья) в университете в Берне. Первая попытка окончилась неудачей, поскольку тогда он не был доктором философии. В 1907 году он провалился, так как не представил habilitationsschrift — часть нового неопубликованного исследования. Клейнер хотел, чтобы Эйнштейн стал экстраординарным профессором теоретической физики (такая вакансия вскоре должна была открыться в университете), а необходимой для этого ступенью являлась должность приват-доцента. Эйнштейн написал, как требовалось, habilitationsschrift и весной 1908 года получил эту должность.

Всего три студента посещали первый курс лекций Эйнштейна по теории теплоты. Все трое стали его друзьями. Это неудивительно: лекции Эйнштейна по вторникам и субботам начинались в семь часов утра, а студенты имели право решать, посещать ли им курсы приват-доцентов. Нередко (и тогда, и в будущем) Эйнштейн оказывался не готов к лекции и делал много ошибок. Ошибившись, он обращался к студентам: “Кто скажет, в чем я не прав?” Если студент указывал на ошибку в расчетах, Эйнштейн заявлял: “Я всегда вам говорил, что математика у меня хромает”78.

Преподавание было главной обязанностью Эйнштейна. Желая убедиться, что он справляется с этой задачей, Клейнер пришел на одну из его лекций. Эйнштейн, раздраженный тем, что “его будут проверять”, оказался не на высоте79. Однако Клейнер дал ему возможность исправиться, и Эйнштейну это удалось. “Мне повезло, — написал он своему другу Якобу Лаубу. — Вопреки обычному, я прочитал лекцию хорошо — и мне это сошло”80. В мае 1909 года Эйнштейн наконец стал приват-доцентом в Цюрихе. Теперь он мог похвастаться, что стал “официальным членом этой гильдии потаскух”81. Прежде чем перевезти в Швейцарию Милеву и пятилетнего сына Ганса Альберта, Эйнштейн в сентябре поехал в Зальцбург, где проходила конференция Общества немецких естествоиспытателей и врачей. Его пригласили выступить с основным докладом, а слушателями были люди, представлявшие собой сливки немецкого физического сообщества. Отправляясь туда, он хорошо подготовился.

Обычно такой доклад делали пожилые мэтры, а не ученые едва за тридцать, собиравшиеся впервые получить должность экстраординарного профессора. Поэтому, когда Эйнштейн прошел к кафедре, на него устремились удивленные взгляды. Казалось, он ничего не замечал. Лекция, ставшая знаменитой, называлась “О развитии наших взглядов на сущность и структуру излучения”. Эйнштейн объявил аудитории, что “следующей ступенью в развитии теоретической физики станет построение теории света, которая будет синтезом волновой теории и теории испускания света”82. Это была не просто догадка. Эйнштейн основывался на мысленном эксперименте. Он рассмотрел зеркало, подвешенное внутри полости абсолютно черного тела. Ему удалось вывести уравнение для флуктуаций энергии и импульса излучения в такой системе и показать, что выражение для этих флуктуаций состоит из двух разных слагаемых. Одно следует из волновой теории света, а второе имеет все признаки, позволяющие считать, что свет состоит из квантов. Нельзя обойтись без какого-либо из этих слагаемых, равно как и без обеих теорий. Так впервые было предсказано свойство света, получившее позднее название корпускулярно-волновой дуализм.

Эйнштейн вернулся на свое место. Планк, председательствовавший на заседании, первым взял слово. Он поблагодарил докладчика, а затем заявил, что не согласен с ним. Он настаивает на том, что квант необходим только при описании обмена энергией между материей и излучением. Планк сказал, что “пока нет необходимости” вслед за Эйнштейном утверждать, что свет состоит из квантов. За Эйнштейна вступился только Йоханнес Штарк. К сожалению, впоследствии он, как и Ленард, стал сторонником нацистов, и тогда уже они оба нападали на Эйнштейна как на автора “жидовской физики”.

Эйнштейн ушел из патентного бюро, чтобы у него оставалось больше времени для занятий. Но в Цюрихе его ждало жестокое разочарование. У него было семь лекционных часов в неделю. К лекциям следовало готовиться, и он жаловался, что “свободного времени остается еще меньше, чем в Берне”83. Сначала студенты были потрясены затрапезным видом нового профессора. Но неформальный стиль лекций и предложение прерывать его, когда что-то становится неясным, быстро завоевали Эйнштейну их уважение и привязанность. В дополнение к обязательным лекциям раз в неделю он приглашал своих студентов в кафе “Террас”, где они болтали до закрытия. Достаточно скоро Эйнштейн привык к учебной нагрузке. Он опять обратился к задачам, которые давно и безуспешно старались решить другие. Он надеялся сделать это с помощью квантов.

В 1819 году двое французских ученых Пьер Дюлонг и Алексис Пти измерили удельную теплоемкость — количество энергии, необходимое для нагревания на один градус одного килограмма вещества — для целого ряда металлов, начиная с меди и заканчивая золотом. Следующие полвека никто из тех, кто верил в существование атомов, не подвергал сомнению их утверждение, что “все простые тела обладают в точности равными теплоемкостями”84. Большим сюрпризом стало открытие в 70-х годах XIX века исключений из правила.

Эйнштейн, пытаясь раскрыть загадку аномалий теплоемкости, использовал идею Планка и предположил, что при нагревании тела атомы начинают колебаться. Они не могут колебаться с какой-то произвольной частотой. Они “квантованы”, то есть их частоты колебаний могут быть только кратны определенной “фундаментальной” частоте. Эйнштейн выдвинул новую теорию поглощения тепла твердыми телами. Атомы могут поглощать только дискретные порции энергии — кванты. Однако когда температура падает, энергия тела понижается. В конце концов ее становится недостаточно, чтобы обеспечить каждый атом правильной квантованной порцией энергии. Из-за этого тело получает меньше энергии, что приводит к уменьшению теплоемкости.

Три года работа Эйнштейна не вызывала ни малейшего интереса. Отмечали только, что квантование энергии — ее разделение на атомном уровне на небольшие порции — позволяет решить задачу еще в одной области физики. Однако новость о том, что знаменитый немецкий физик Вальтер Нернст поехал из Берлина к Эйнштейну в Цюрих, заставила многих спохватиться и начать штудировать эту работу. Вскоре стало ясно, с чем была связана поездка. Нернст научился аккуратно измерять теплоемкость твердых тел при низких температурах и обнаружил полное совпадение результатов с предсказаниями “квантового" решения Эйнштейна.

Популярность Эйнштейна росла. Ему предложили место профессора в Немецком университете в Праге. Отказаться было невозможно, хотя это и означало, что надо покинуть Швейцарию, где он прожил пятнадцать лет. Эйнштейн и Милева с сыновьями Гансом Альбертом и Эдуардом, которому не было еще и года, приехали в Прагу в апреле 1911 года.