Пол Хэлперн - Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания

• Название: Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Питер
• Жанр: Физика
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-01861-6

Многие физики всю свою жизнь посвящают исследованию конкретных аспектов физического мира и поэтому не видят общей картины. Эйнштейн и Шрёдингер стремились к большему. Поиски привели их к важным открытиям: Эйнштейна — к теории относительности, а Шрёдингера — к волновому уравнению. Раздразненные найденной частью решения, они надеялись завершить дело всей жизни, создав теорию, объясняющую всё.

Эта книга рассказывает о двух великих физиках, о «газетной» войне 1947 года, разрушившей их многолетнюю дружбу, о хрупкой природе сотрудничества и открытий в науке.

Пол Хэлперн — знаменитый физик и писатель — написал 14 научно-популярных книг. В круг его интересов попадает всё — время и пространство, множественные измерения, темные материя и энергия, космология. Его последняя книга повествует о том, как Альберт Эйнштейн и Эрвин Шрёдингер сражались с несовершенством и недетерминированностью квантовой механики, пытаясь создать теорию поля, которая объединила бы все силы природы и потеснила квантовую странность. К сожалению, оба потерпели фиаско.

Сможет ли кто-то из современных ученых превзойти гениев прошлого? Найдется ли новый Эйнштейн, который сможет воплотить его мечту о единой физической теории в жизнь?

---

Как отмечает Шрёдингер, согласно правилам измерений в квантовой механике, пока ящик закрыт, состояние кота (мертвый или живой) будет запутано с состоянием радиоактивного атома, распад которого фиксирует счетчик Гейгера. Таким образом, кот оказывается в состоянии квантовой суперпозиции подобно зомби (и живой и мертвый одновременно) до тех пор, пока не сработает таймер, исследователь не откроет коробку и не произойдет редукция запутанного квантового состояния кота и счетчика в какое-нибудь одно из возможных состояний.

С конца 1930-х до начала 1960-х годов этот мысленный эксперимент редко упоминался, разве что на лекциях по физике в качестве анекдота. К примеру, профессор Колумбийского университета и нобелевский лауреат Т. Д. Ли рассказывал о нем своим студентам, демонстрируя им странную природу редукции волновой функции{3}. В 1963 году физик Принстонского университета Юджин Вигнер упомянул мысленный эксперимент в своей работе о квантовых измерениях, а также расширил его до более общего случая, известного теперь как парадокс друга Вигнера.

Знаменитый философ Гарвардского университета Хилари Патнэм, узнавший об этой загадке от своих коллег-физиков, был одним из первых мыслителей не из мира физики, кто попытался проанализировать мысленный эксперимент Шрёдингера{4}. Свои выводы он привел в классической статье 1965 года «Взгляд философа на квантовую механику», ставшей впоследствии одной из глав его книги. Когда в том же году об этой работе написали в книжном обзоре журнала Scientific American, термин «кот Шрёдингера» стал широко известен в научно-популярной литературе. Спустя десятилетия он вошел в культуру как символ неоднозначности и не раз упоминался в рассказах, эссе и даже стихах.

Несмотря на широкую известность парадокса шрёдингеровского кота, о самом физике, придумавшем его, мало что известно. В то время как Эйнштейн с 1920-х годов являлся иконой, своего рода символом блестящего ученого, мало кто был знаком с биографией Шрёдингера. Ирония в том, что прилагательное «шрёдингеровскнй», используемое для описания сумбурности и запутанности происходящего, в равной мере применимо и к нему самому.

Человек, полный противоречий

Неопределенность состояния кота Шрёдингера удивительно соответствует противоречивости его создателя. Педантичный профессор-очкарик находился в квантовой суперпозиции контрастирующих взглядов. Его «инь-ян»-существование началось еще в детстве, так как в семье говорили на немецком и английском языках, и он вырос билингвом. Будучи связан со многими странами, но пылая особой любовью к родной Австрии, он был одинаково далек и от национализма, и от интернационализма, и от политики как таковой.

Шрёдингер любил физические упражнения на свежем воздухе, но при этом вынуждал других задыхаться от вездесущего дыма его трубки. На официальные конференции он приходил одетый как обыкновенный турист. Он называл себя атеистом и размышлял о божественном замысле В его жизни был период, когда он жил одновременно и со своей женой, и с женщиной, бывшей матерью его первого ребенка. Его докторская диссертация соединяла в себе экспериментальную и теоретическую физику. На ранней стадии карьеры он задумывался о том, не переключиться ли ему на философию, но затем вернулся к физике. Л затем он бесчисленное количество раз менял место работы в институтах Австрии, Германии и Швейцарии.

Физик Вальтер Тирринг описывал Шрёдингера следующим образом: «Он вел себя так, будто его постоянно преследуют: его гений гнал его от одной проблемы к другой, а политические силы двадцатого века — из одной страны в другую. Он был человеком, полным противоречий»{5}.

В его карьере был период, когда он яростно настаивал на том, что надо отказаться от принципа причинности в пользу чистой случайности. Несколько лет спустя, после разработки детерминистического уравнения, у него начали возникать сомнения. Возможно, все же существуют законы причинности, — рассуждал он. А затем физик Макс Борн реинтерпретировал его уравнение в терминах вероятности. После периода споров об этом подходе Шрёдингер снова начал склоняться к вероятностной интерпретации. Позже колесо рулетки его философских убеждений опять остановилось на детерминизме.

В 1933 году, осуждая нацистский режим, Шрёдингер решительно отказался от престижной должности профессора теоретической физики в Берлинском университете. Он был самым выдающимся физиком нееврейского происхождения, добровольно отказавшимся работать на национал-социалистов. Проработав некоторое время в Оксфорде, Шрёдингер принял решение вернуться в Австрию и занять пост профессора в Грацком университете. Но после аншлюса Австрии нацистской Германией он по неизвестным причинам предпринял попытку заключить с правительством сделку, чтобы сохранить за собой должность. В опубликованном «письме примирения» с новой властью он извинился за прежнюю оппозиционность и заявил о своей лояльности. Но, несмотря на это, ему все же пришлось покинуть Австрию, и он отправился в Дублин, чтобы занять многообещающий пост в Институте перспективных исследований. На нейтральной территории он публично отказался от своего «письма примирения».

«Он проявил удивительную гражданскую смелость после прихода Гитлера к власти в Германии… и отказался от самой желанной профессорской должности в физике, — отмечает Тирринг, — но когда нацисты добрались до него, ему пришлось участвовать в этой жалкой показной акции солидарности с террористическим режимом»{6}.

Квантовые соратники

Эйнштейн, который в Берлине был коллегой и близким другом Шрёдингера, все время поддерживал с ним активную переписку, в которой они обсуждали общие интересы в физике и философии. Они вместе боролись против общего врага — чистой случайности — как противоположности естественного порядка.

Знакомые с работами Спинозы, Шопенгауэра, для которого объединяющим принципом была воля, собирающая воедино все природные силы, а также трудами других философов, Эйнштейн и Шрёдингер негодовали по поводу неопределенности и субъективности в описании Вселенной на самом фундаментальном уровне. И хотя они оба сыграли важную роль в создании и развитии квантовой механики, оба были убеждены, что эта теория неполна. Несмотря на признание экспериментов, подтверждающих квантовую теорию, они верили, что дальнейшие теоретические исследования позволят раскрыть вневременную, объективную реальность.

Их союз был закреплен борновской реинтерпретацией волнового уравнения Шрёдингера. Согласно первоначальному толкованию уравнения Шрёдингера, оно описывало поведение реальных непрерывных волн материи, представляющих электроны внутри и вне атомов. Максвелл создал детерминистические уравнения, описывающие свет как электромагнитные волны, распространяющиеся в пустом пространстве, Шрёдингер хотел создать уравнение, описывающее движение волн материи. Таким образом он надеялся предложить исчерпывающее описание всех физических свойств электронов.

Борн разрушил строгость описания Шрёдингера, заменив волны материи на волны вероятности. Вместо однозначного задания физических свойств он предложил вычислять их вероятность на основе волновой функции. Борн привел уравнение Шрёдингера в соответствие с идеями Гейзенберга о неопределенности. Гейзенберг полагал, что отдельные физические свойства, такие как положение и импульс (произведение массы и скорости), не могут быть измерены одновременно с высокой точностью. Он определил такую квантовую размытость в своем знаменитом принципе неопределенности: чем более точно исследователь измеряет положение частицы, тем менее точно он знает ее импульс, и наоборот.

Надеясь описать реальные состояния электронов и других частиц, а не только вероятности, Шрёдингер раскритиковал нематериальные элементы подхода Гейзенберга — Борна. Также он не принимал философские идеи Бора относительно объяснения квантовой механики, называемых принципом дополнительности. Принцип дополнительности утверждает, что в зависимости от того, какое оборудование исследователь выберет для эксперимента, проявятся либо волновые, либо квантовые свойства. Шрёдингер считал, что природа поддается наглядному представлению, а не представляет собой черный ящик со скрытыми параметрами.

Когда идеи Борна, Гейзенберга и Бора были повсеместно приняты в физическом сообществе и слились в то, что сейчас известно как копенгагенская интерпретация, или классическое квантовое представление, Эйнштейн и Шрёдингер по понятным причинам объединились. В преклонном возрасте каждый из них надеялся создать единую теорию поля, которая заполнила бы пробелы квантовой физики и объединила силы природы. Расширяющая общую теорию относительности путем включения в нее всех сил природы, такая теория заменила бы физику чистой геометрией, воплотив мечту пифагорейцев, которые верили, что «все есть число».