Alberto Izquierdo - Революция в микромире. Планк. Квантовая теория

• Название: Революция в микромире. Планк. Квантовая теория
• Автор: Alberto Izquierdo
• Издательство: ООО «Де Агостини»
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012

Макса Планка часто называли революционером, хотя он был против этого. В 1900 году ученый выдвинул идею о том, что энергия излучается не непрерывно, а в виде порций, или квантов. Отголоском этой гипотезы, перевернувшей сложившиеся представления, стало развитие квантовой механики — дисциплины, которая вместе с теорией относительности лежит в основе современного взгляда на Вселенную. Квантовая механика рассматривает микроскопический мир, а некоторые ее постулаты настолько удивительны, что сам Планк не единожды признавал: он не успевает за последствиями своих открытий. Учитель учителей, в течение десятилетий он стоял у штурвала немецкой науки, сумев сохранить искру разума в сумрачный период нацизма.

---

«Решили всё слова. Не длинный ряд

Велеречивых просьб и увещаний.

Нет, те слова, что вы тогда сказали,

Сказали, будто вскользь:

«Я буду рад!»

Между четой Шрёдингеров и Планками возникла крепкая дружба, которая продолжалась, невзирая на войну и расстояние.

Принцип неопределенности

После открытия матричной и волновой механики физики получили два эквивалентных инструмента, позволявших браться за решение любой квантовой проблемы. Матричная механика Гейзенберга и волновое уравнение Шрёдингера давали возможность выделять и решать любые проблемы атомной и молекулярной физики. Хотя все были согласны с тем, что квантовая механика, наконец, обрела теоретические принципы, от которых можно было оттолкнуться и которые были относительно независимы от классической науки, в течение нескольких лет шли напряженные споры об их интерпретации. В этих дебатах участвовали все, кто имел отношение к строительству нового здания квантовой физики: Планк, Эйнштейн, Бор, Зоммерфельд, Гейзенберг, Шрёдингер, Борн, Паули, Дирак. Макс Борн, профессор физики в Гёттингене, тесно сотрудничавший с Гейзенбергом, предложил следующую интерпретацию: картина функционирования волны обеспечивает вероятность попадания электрона в заданную точку пространства. Вокруг этой интерпретации Борна сплотилось большинство ученых, возглавляемых Нильсом Бором, эта точка зрения предполагала радикальный философский разрыв с классическим наследием, так как в центр физической концепции природы ставила случай, отринув детерминизм. В другом лагере, который можно назвать консервативным, остались Эйнштейн, Шрёдингер и Планк, их не до конца удовлетворяла вероятностная интерпретация и не прельщал полный отход от классического детерминизма.

Точность Δх, с которой можно измерить положение х частицы, и точность Δр, с которой можно измерить ее импульс, не являются независимыми.

Гейзенберг, принцип неопределенности

Ключевым элементом в дискуссии был принцип неопределенности, сформулированный Гейзенбергом в 1927 году.

В то время Гейзенберг работал в Копенгагене с Бором, с которым поддерживал тесные дружеские отношения. Статья, в которой был представлен принцип неопределенности, называлась «О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики», в ней этот принцип выводился из одного из фундаментальных выражений матричной механики.

В этой же статье Гейзенберг для объяснения принципа предлагал несколько мысленных экспериментов.

Следствием принципа неопределенности является то, что мы не можем определить одновременно положение и импульс частицы с абсолютной точностью. Если нам известно ее положение, то ничего не известно об импульсе, и наоборот. Так как импульс частицы — функция ее скорости, то все сказанное об импульсе относится к скорости: мы не можем с точностью одновременно знать положение частицы и ее скорость. Таким образом, квантовая механика разделалась с концепцией траектории тела, так как если мы измерим положение частицы в заданный момент, не зная ее скорости, будет невозможно определить ее положение в следующий момент.

Мысленные эксперименты для отношений неопределенности

Принцип Гейзенберга звучит так: точность Δχ, с которой можно измерить положение х частицы, и точность Δρ, с которой можно измерить ее импульс, должны соответствовать следующему неравенству:

ΔρΔx ≥ h/4π.

В статье 1927 года Вернер Гейзенберг предлагает несколько мысленных экспериментов, которые приводят к соотношению неопределенностей. Наиболее известен из них следующий. Если мы хотим измерить положение микроскопической частицы, то должны осветить ее и наблюдать за ней, например с помощью микроскопа. При этом полученное решение, описывающее положение частицы в пространстве, не может быть менее длины волны света, использованного для освещения частицы, то есть:

Δx~λ.

Так как свет проявляет такие же свойства, как будто бы сам состоит из частиц, он несет импульс, равный p = hv/c=h/λ. Неизвестная доля импульса передастся частице при столкновении, отсюда:

ΔρΔχ ~ λ·h/λ = h

Из этого следует, что сам факт наблюдения за частицей выводит ее из равновесия, приводя к неопределенности в измерениях.

Принцип неопределенности означает, что сам факт наблюдения за частицей возбуждает ее, вызывая неопределенность в измерениях. Это так, поскольку акт измерения подразумевает взаимодействие наблюдателя и наблюдаемой частицы, например между частицей и фотонами света, которыми мы пользуемся для освещения и наблюдения. Хотя в классической физике также утверждается, что измерение возбуждает наблюдаемую систему, теоретически возможно представить систему, в которой возбуждение будет все более незначительным. Мы можем представить все более слабое освещение, которое сведет возбуждение к необходимому минимуму. Но квантовая гипотеза препятствует этому, поскольку минимальная порция света, которую мы можем направить на частицу, равна кванту — дискретной величине.

Планк, Эйнштейн и евреи в нацистской Германии

Антисемитизм был широко распространен в Европе с начала XX века. Сам Эйнштейн, когда жил в Берне, в Швейцарии, был объектом расистских замечаний. Во внутренней записке Цюрихского университета, помимо перечисления его заслуг для должности профессора, мы читаем:

«Герр доктор Эйнштейн еврей, и именно евреям приписывается (во многих случаях небезосновательно) много неприятных особенностей характера: вмешательство в чужие дела, наглость, образ мыслей хозяина лавки при исполнении академической функции. Нужно сказать, что в том числе среди евреев есть люди, совсем не афиширующие свои неприятные особенности».

К счастью, в записке уточняется, что для университета недостойно ставить политику антисемитизма во главу угла, а заслуги Эйнштейна признаются более чем достаточными для заключения с ним договора, так что 15 октября 1909 года Эйнштейн стал профессором Цюрихского университета.

В нацистской Германии антисемитизм граничил с коллективным помешательством. В последнее десятилетие, еще до прихода нацистов к власти в 1933 году, давление на немецких евреев значительно усилилось. Среди физиков знаменосцами антисемитизма были Йоханнес Штарк и Филипп Ленард. Оба ученых были прекрасными физиками-экспериментаторами и получили нобелевские премии (Ленард — в 1905 году, а Штарк — в 1919). В 1920-х годах они стали еще более радикальными, в том числе и преследуя свои цели во внутренней борьбе в лоне немецкой науки. Планк, занимавший должность постоянного секретаря Прусской академии наук и председателя Общества кайзера Вильгельма, как бывший ректор Берлинского университета, член множества комитетов и научных обществ был одним из основных деятелей немецкой науки 1920-30-х годов и не мог не участвовать в этой борьбе.

Это гнездо крыс, разлагающее науку.

Немецкие интеллектуалы-нацисты о тех, кто поддерживал и преподавал идеи Эйнштейна

Вмешательство Планка было связано с защитой фундаментальной науки как гаранта прогресса, особенно страстно он защищал теоретическую физику и поддерживал важнейших физиков-теоретиков той эпохи: Гейзенберга, Лауэ, Шрёдингера и, конечно, Эйнштейна. Штарк и Ленард в течение двух десятилетий плели интриги, чтобы снизить влияние Планка и его «теоретиков». В частности, атаки на Эйнштейна хотя и были вызваны его еврейским происхождением, также преследовали и другие политические цели — ослабить позиции Планка и его окружения. В начале 1920-х годов отдельные группы немецких интеллектуалов, поддерживаемые Штарком и Ленардом, стали называть теорию относительности «еврейской наукой», а Эйнштейна подвергать остракизму.

Планк общался с величайшими учеными своей эпохи, среди них был и Альберт Эйнштейн. На фотографии Планк с Эйнштейном 28 июля 1929 года в день первого награждения медалями Макса Планка, которых оба были удостоены.

Нильс Бор с Планком в Копенгагене в 1930 году.

В 1922 году Планк как председатель Немецкого общества естествоиспытателей и врачей пригласил Эйнштейна прочесть лекцию о теории относительности на ежегодном собрании общества. Таким образом он хотел поддержать ученого и его теории, однако лекция не состоялась: 24 июня был убит Вальтер Ратенау, министр иностранных дел республики и близкий друг Эйнштейна. Ратенау имел еврейское происхождение, а преступление совершила группа военных ультранационалистов (Гитлер после прихода к власти приказал установить им памятник). Планк попросил выступить Макса фон Лауэ, и лекция не обошлась без нацистской пропаганды. Как вспоминал Гейзенберг, на входе в зал группа активистов раздавала листовки, подписанные Ленардом, в которых говорилось, что теория относительности является домыслом еврейской прессы и чужда немецкому духу.