Текст книги "Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 10 страниц)

Эта прогулка оказала огромное влияние на мою последующую научную карьеру. Возможно, было бы точнее сказать, что мое развитие как ученого началось с этой прогулки.

Гейзенберг в своей книге «Беседы вокруг атомной физики» о первой прогулке с Бором в Гёттингене в 1923 году

Зоммерфельд собирался провести 1922/1923 учебный год в качестве приглашенного преподавателя в США, в Университете Висконсина, поэтому договорился с Бором, что некоторые его студенты отправятся на один семестр в Гёттинген, чтобы продолжить там обучение и исследования. Гейзенберг должен был начать работу над докторской диссертацией. Ее темой по предложению Зоммерфельда стала непростая задача гидродинамики, не имевшая ничего общего с атомной физикой.

Первое пребывание в Гёттингене

Гёттингенский университет был знаменит прежде всего своими математическими традициями – в разные годы в нем преподавали Гаусс, Риман и Клейн. Когда в 1921 году Макс Борн был назначен преподавателем теоретической физики, в состав университета входили институты математики, прикладной математики и экспериментальной физики, там работали такие авторитетные ученые, как Давид Гильберт, Рихард Курант, Карл Рунге, Людвиг Прандтль, Роберт Пол и Джеймс Франк. Борн сформулировал основы своей исследовательской программы спустя несколько дней после завершения встречи физиков с Бором. В краткой статье он писал:

«Возможно, прошло время, когда модели атомов и молекул были результатом полета воображения исследователя. Сегодня мы скорее строим модели с определенной уверенностью, пусть и неполной, на основе правил квантовой физики».

Борн немедленно принялся за работу со своим новым помощником, Паули.

Модель Бора была корректной только при рассмотрении простейшего случая с двумя частицами, например атома водорода (он состоит из положительно заряженного ядра и электрона) или иона гелия (состоит из отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного ядра, заряд которого по модулю в два раза больше). В общем случае орбиты частиц можно было с точностью определить при рассмотрении задачи двух тел, но не трех и более. Без ответа оставались и другие вопросы, например почему электроны не занимают орбиту, которой соответствует минимум энергии, во всех атомах? В своей докторской диссертации Паули рассмотрел с виду простую задачу: он изучил молекулярный ион водорода, состоящий из двух положительно заряженных ядер и отрицательно заряженного электрона. Паули счел, что ядра можно считать неподвижными, и рассмотрел две системы из двух тел. Его рассуждения казались разумными, однако полученные результаты не описывали линии спектра, наблюдаемые при экспериментах.

Борн предложил новую квантовую теорию: он скрупулезно вычислил орбиты частиц, применив знания астрономии, после чего использовал правила квантовой механики. В XIX веке в астрономии была разработана теория возмущений. Согласно ей, для расчета орбит планет Солнечной системы сначала требовалось описать вращение каждой планеты вокруг Солнца без учета притяжения остальных планет, а затем необходимо было рассмотреть возмущения вычисленных орбит, внеся в расчеты ряд последовательных поправок. Этот метод оказался крайне продуктивным, так как позволил, к примеру, предсказать существование Нептуна на основе наблюдаемых отклонений орбиты Урана. Борн верил, что методы небесной механики помогут ему найти все необходимое для создания новой теории.

На встрече с Бором в Гёттингене, июнь 1922 года. Слева направо: Карл Вильгельм Озеен, Нильс Бор, Джеймс Франк и Оскар Клейн; Макс Борн (сидит).

Эйнштейн вместе с физиком– экспериментатором Питером Зееманом (слева) и другом Паулем Эренфестом, ок. 1920.

Гейзенберг около 1924 года.

Гейзенберг по меньшей мере так же талантлив, как и Паули, но более дружелюбен и приятен. А еще он очень хорошо играет на пианино.

Из письма Борна Эйнштейну, апрель 1923 года

Гейзенберг прибыл в Гёттинген в конце октября 1922 года. Известна характеристика, которую дал ему Борн: «[Он напоминал] простого крестьянина, с короткими белыми волосами, ясными блестящими глазами и очаровательным выражением лица». В институтах Гёттингенского университета регулярно проводились встречи, на которых студенты и преподаватели разных университетов обменивались последними результатами. Обстановка на этих встречах была достаточно неформальной, любой мог прервать оратора, чтобы поаплодировать удачному заключению, попросить разъяснений или обрушиться на выступающего с безжалостной критикой. Гейзенберг представил свои работы, выполненные совместно с Зоммерфельдом, и модель каркаса атома. Присутствующие уже были знакомы с этими работами, многие знали и о критике со стороны Бора. И тем не менее Гейзенберг выступил блестяще и удостоился всеобщей овации. В январе 1923 года Борн написал Зоммерфельду: «Я очень горжусь Гейзенбергом. Все мы высоко ценим его. У него невероятный талант […]».

Гейзенберг не сразу оценил программу Борна. Каждый понедельник, вечером, студенты старших курсов собирались в доме профессора для изучения небесной механики и теории возмущений. Гейзенберг считал, что на этих встречах уделялось больше внимания математике, а не физике, что было далеко от интуитивного подхода Зоммерфельда, к которому он успел привыкнуть. Однако к концу ноября Вернер написал отцу: «Лично для меня Гёттинген обладает огромным преимуществом: я одновременно изучаю и математику, и астрономию». На этих неформальных вечерах Борн и Гейзенберг часто играли на пианино – по очереди или в четыре руки. Борн был так доволен новым студентом, что отправил Зоммерфельду письмо, в котором предложил, чтобы после защиты докторской юноша вернулся в Гёттинген и там готовился к хабилитации и работал.

В феврале 1923 года Гейзенберг решил проверить границы применимости классической механики. Он рассмотрел атом гелия, один из электронов которого находился на возбужденной орбите, то есть атом, один из электронов которого находился вблизи ядра, а второй – очень далеко. Исследователь предположил, что такой атом можно рассматривать как атом водорода в возбужденном состоянии, ядро которого находится под воздействием ближайшего электрона. Однако этот подход оказался неудачным, и Гейзенберг в минуту отчаяния даже написал своему другу Паули: «Все современные модели гелия так же плохи, как и вся атомная физика».

Летом 1923 года Бор, Паули, Борн и Гейзенберг были готовы принять невозможное. Очевидные недостатки всех квантовых моделей при описании простейших атомов и молекул, за исключением атома водорода, по словам Борна, доказывали: «Были необходимы не только новые гипотезы в классическом понимании – требовалось создать целую систему физических понятий». Новую теорию Борн назвал квантовой механикой.

Едва не сорвавшаяся защита

В мае 1923 года Гейзенберг вернулся в Мюнхен, чтобы закончить обучение и подготовить докторскую диссертацию. До этого он не уделял должного внимания курсу экспериментальной физики, который вел Вильгельм Вин. Вольфганг Паули в свое время посещал курсы Вина и Зоммерфельда одновременно: одному были посвящены четыре часа в неделю, другому – восемь. Однако Гейзенберг не проявил особого энтузиазма к экспериментальной физике и выбрал более короткую программу.

Основной интерес в курсе Зоммерфельда для него представляли дифференциальные уравнения в частных производных, которые требовались для работы над диссертацией. По просьбе службы водоснабжения Мюнхена Зоммерфельд исследовал движение воды в канализации. Диссертация Гейзенберга была посвящена теоретическому исследованию перехода от ламинарного потока к турбулентному – когда в потоке возникают завихрения. В 1880 году английский ученый Осборн Рейнольдс эмпирически обнаружил, что этот переход определяется сочетанием вязкости жидкости, скорости потока и его геометрическими характеристиками. При превышении этими величинами определенного значения возникает турбулентность. Гейзенбергу удалось подтвердить результаты Рейнольдса с помощью различных хитроумных приближений и упрощений.

Для получения докторской степени нужно было успешно сдать два экзамена. На первом испытании требовалось представить результаты исследовательской работы и ответить на вопросы экзаменаторов. С этим Гейзенберг справился без труда. Зоммерфельд подготовил необходимую характеристику, в частности он писал: «Гейзенберг вновь доказал свои выдающиеся способности: полное владение математическим аппаратом и четкое видение физики» и «Я не предложил бы столь сложную тему никому другому из моих учеников».

Второй экзамен, который назывался rigorosum, проходил в устной форме и заключался в оценке общих знаний кандидата. До экзамена Вильгельм Вин попросил Гейзенберга провести эксперимент в его лаборатории: требовалось измерить сверхтонкую структуру в эффекте Зеемана для ртути с помощью интерферометра Фабри – Перо. Как следует из названия, сверхтонкая структура описывает разделение линий спектра на гораздо меньших расстояниях, чем тонкая структура. Позднее было показано, что она определяется магнитным взаимодействием электронов. Вин остался недоволен студентом: Гейзенберг проделал работу небрежно и не вник в суть эксперимента. Так, он даже не подумал сфотографировать линии спектра, чтобы произвести более точные измерения. В результате на экзамене, который состоялся в конце июля 1923 года, Гейзенберг получил высший балл по теоретической физике и математике, на балл ниже – по астрономии и неудовлетворительную оценку по экспериментальной физике. Он не смог ответить на вопросы Вина о разрешающей способности интерферометра Фабри – Перо, телескопа или микроскопа (все эти вопросы Вин освещал в своем курсе). Также Гейзенберг не смог объяснить принцип действия аккумулятора. После долгой горячей дискуссии экзаменаторы решили поставить Вернеру минимальный проходной балл.

Эта оценка стала унизительной для юноши, и в ту же ночь, вместо того чтобы отпраздновать получение докторской степени с Зоммерфельдом и другими студентами, Гейзенберг сел на поезд и поехал в Гёттинген. Ему не терпелось узнать, не помешает ли низкий балл стать ассистентом Борна. Однако Борн, расспросив Вернера об экзамене, сказал, что не видит оснований менять планы, и обрадованный Гейзенберг отправился со своей скаутской группой на каникулы в Финляндию. В октябре 1923 года он вернулся в Гёттинген, где занял место помощника Борна и приступил к исследованиям, необходимым для хабилитации.

Глава 3 Квантовая неопределенность

Проблемы, связанные с атомной физикой и квантовой теорией, неожиданно нашли решение в период с 1925 по 1927 год.

Юный Гейзенберг сделал первый шаг к созданию квантовой механики – долгожданной теории, которая позволила бы понять явления, происходящие на атомном уровне. Он открыл знаменитые соотношения, описывающие квантовую неопределенность, и это стало самым известным его достижением в области физики. Одновременно с появлением квантовой механики возникли философские проблемы, связанные с интерпретацией ее законов.

Приезд Гейзенберга в Гёттинген совпал по времени с гиперинфляцией в Германии. К примеру, с января по ноябрь 1923 года курс американского доллара изменился с 17792 марок за доллар до астрономической цифры в 4,2 млрд марок за доллар. Зарплаты выплачивались каждые два дня, и люди без промедления покупали еду или любые товары, которые позднее можно было обменять на продукты. В этой ситуации основную роль в сохранении немецкой науки сыграла Чрезвычайная ассоциация немецкой науки. К примеру, Комиссии по электрофизике удалось получить пожертвования от американской компании General Electric не только на реализацию технических проектов и проведение экспериментов, связанных с электричеством, но и на исследования по атомной физике и квантовой теории. В заявлении Чрезвычайной ассоциации от 1926 года говорилось:

«Как известно, квантовая механика находится в центре внимания физиков всех стран. Работа Гейзенберга и Борна при поддержке Комитета по электрофизике, без которой, весьма вероятно, она была бы проведена не в Германии, а в другой стране, доказала полезность Комитета по электрофизике в развитии физики в Германии».

Таким образом, можно сказать, что руководство компании General Electric, не осознавая того, профинансировало создание квантовой механики.

В этой главе мы расскажем об интерпретациях квантовой механики, появившихся в период с 1923 по 1927 год, когда Гейзенберг работал то в Гёттингене с Максом Борном, то в Копенгагене с Нильсом Бором. В эти годы он также иногда приезжал в Мюнхен к родителям, а отпуски проводил в путешествиях по Европе с группой скаутов.

Между Гёттингеном и Копенгагеном

В сентябре 1923 года Гейзенберг прибыл в Гёттинген и стал ассистентом Борна, чтобы получить хабилитацию. Финансирование, выделяемое Чрезвычайной ассоциацией, не покрывало всех расходов, и университетские преподаватели были вынуждены самостоятельно искать средства на выплату зарплат ассистентам и стипендий докторантам. Борн пользовался поддержкой немецкого промышленника Карла Штилля и американского банкира Генри Голдмана (основателя банка Goldman Sachs).

Профессор продолжал свои исследования, взяв за основу результаты, полученные согласно законам небесной механики. Гейзенберг уже был знаком с этими работами Борна, но с трудом мог оценить их. Напомним, что молодой исследователь создал модель каркаса атома, чтобы объяснить удвоение и утроение линий атомного спектра. Когда было обнаружено новое деление линий спектра, проницательный Гейзенберг нашел схему, позволяющую воспроизвести их, применив так называемый принцип Зеемана ad hoc, что, вслед за Ницше, можно было назвать философствованиями с помощью молотка [1 От названия книги Ницше «Падение кумиров, или О том, как можно философствовать с помощью молотка» (также известна как «Сумерки идолов, или Как философствуют молотом»). В этом сборнике коротких эссе критикуется общественное понимание различных философских понятий. – Примеч. ред.]. Физики в то время при изучении линий атомного спектра действовали примерно так же, как зоологи и ботаники, классифицируя биологические виды. В отсутствие согласованной атомной теории данные о спектрах классифицировались на основе полуэмпирических правил со множеством поправок. Так же поступал и Гейзенберг: он связывал непрерывную энергию и дискретные переходы между состояниями с помощью достаточно произвольных правил, которые не соответствовали какой-либо общей схеме. Борн решил пойти от обратного: он взял за основу законы небесной механики, однако сколько-нибудь значимых результатов не получил.

В марте 1924 года Гейзенберг на несколько недель приехал к Нильсу Бору, в копенгагенский Институт теоретической физики.

Бор – первый ученый, который произвел на меня сильное впечатление как человек. Он всегда выступает с положительной критикой […], он намного больше, чем просто физик.

Гейзенберг в письме к родителям

Гейзенберг много времени проводил в библиотеке над книгами по физике, чтобы «повысить общий уровень знаний». В этот период Бор был готов предположить, что на атомном уровне не выполняются даже фундаментальные физические законы, такие как закон причинно-следственной связи или сохранения энергии и импульса. Любопытно, что Бор не сразу принял гипотезу Эйнштейна о квантах света, экспериментально подтвержденную американским ученым Комптоном в 1923 году. Комптон доказал, что взаимодействие между лучом света и электроном объясняется точно так же, как и столкновение двух бильярдных шаров. Несмотря на это, Бор создал свою модель – модель Бора, Крамерса и Слэтера (БКС), в которой фундаментальные физические законы выполнялись лишь для большого числа соударений. Однако модель БКС отвергли в 1925 году, когда экспериментально было доказано, что эти законы выполняются и при отдельных столкновениях фотонов и электронов.

Гейзенберг общался с авторами модели БКС и пытался проникнуться духом физических идей Бора. По возвращении в Гёттинген он занялся написанием работы для хабилитации, посвященной модели Зеемана ad hoc. В июле 1924 года Гейзенберг получил право занять должность преподавателя в любом немецком университете. Ученому было всего 22 года.

Бор настоял на возвращении Гейзенберга в Копенгаген, чтобы получить финансирование от Фонда Рокфеллера на следующий год работы. Так как Борну также требовалось присутствие Гейзенберга в Гёттингене в течение второго семестра, пребывание ученого в Копенгагене разделилось на две части. В первой из них Гейзенберг столкнулся с определенными лингвистическими трудностями: он не говорил по-датски и едва знал английский. В доме, где он снял комнату, жил американский химик с похожей проблемой: он не говорил по-датски и едва знал немецкий. К счастью, хозяйка дома, знавшая все три языка, согласилась заниматься со своими жильцами.

В то время Бор был поглощен работой над своим принципом соответствия, в котором связывались квантовые и классические свойства атомов, а Гейзенберг начал сотрудничать с Крамерсом, ближайшим коллегой Бора. Крамере предположил, что атом можно рассматривать как совокупность воображаемых осцилляторов, которые характеризовались частотами, наблюдавшимися при атомных переходах. Он словно хотел описать музыкальный инструмент, например гитару, через множество всех возможных звуков, которые она может издавать, в том числе при изменении длины струн. Подобный подход может показаться нелепым, однако модель воображаемых осцилляторов помогла Гейзенбергу и Крамерсу создать новую модель атома. В январе 1925 года они писали: «В частности, получим, весьма естественным образом, формулы, содержащие только частоты и амплитуды, которые характеризуют атомные переходы, а все параметры, относящиеся к математической теории периодических систем, можно будет исключить». Этой несколько туманной фразой исследователи хотели сказать, что необходимо уйти от интуитивных моделей и уделять внимание только измеримым величинам.

Мне всегда нравился принцип соответствия Бора, так как он обладал той самой гибкостью, позволявшей получить реальные математические схемы.

Из беседы Гейзенберга с историком науки Томасом Куном, 1963 год

Гейзенберг покинул Копенгаген, находясь в приподнятом расположении духа: перед ним забрезжили догадки, которые могли стать началом новой теории. Паули, напротив, был настроен крайне пессимистично. Примерно в то же самое время он пишет другу: «Физика […] слишком сложна для меня, и я хотел бы стать киноактером или кем-то еще, чтобы никогда больше о ней не слышать. Теперь я жду, что Бор со своей новой идеей спасет всех нас». Однако Бор не принял участия в этой спасательной операции, и ее главными действующими лицами стали Гейзенберг и Шрёдингер (1887-1961).

Первое рождение квантовой механики

В конце апреля 1925 года Гейзенберг вернулся в Гёттинген, готовый продолжить работу над своими туманными идеями. Изначально он хотел изучить атом водорода, но тот оказался слишком сложным для проверки нечетких идей, и Гейзенберг рассмотрел более простые системы, в частности гармонический осциллятор (маятник или груз, подвешенный на пружине).

Если мы немного растянем пружину, возникнет компенсирующая сила, под действием которой груз будет стремиться занять исходное положение. Эта сила пропорциональна расстоянию, отделяющему груз от положения равновесия. Любая система при незначительном отклонении от положения равновесия ведет себя подобно гармоническому осциллятору, именно поэтому они так важны при изучении физики.

Когда Гейзенбергу удалось добиться некоторого прогресса, у него внезапно возникла аллергическая реакция на пыльцу, и в начале июня он отправился на лечение на остров Гельголанд в Северном море, где любую пыльцу сразу же уносили сильные ветра. Несколько недель ученый интенсивно работал над своими идеями. Его беспокоило, что в рассматриваемых условиях мог не выполняться закон сохранения энергии, и чтобы проверить это, потребовалось провести вычисления. Гейзенберг завершил работу около трех часов ночи и понял, что его схема верна. Заснуть от возбуждения он уже не мог, поэтому вышел из дома и стал ждать рассвета, сидя на берегу моря. Уже в июле редакция «Физического журнала» получила рукопись под названием «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений». В ней Гейзенберг хотел заложить основы квантовой механики, опираясь «исключительно на отношения между наблюдаемыми в принципе величинами».

Постараемся описать его рассуждения. Определить траекторию частицы в классическом смысле означает указать координату частицы х в любой момент времени t, что записывается как x(t). Траектория электрона является периодической, и подобное движение можно представить с помощью рядов Фурье. Здесь речь идет о сумме членов вида xn (t). Соответствующие им частоты кратны основной частоте. Если мы проанализируем звук, издаваемый музыкальным инструментом, с помощью ряда Фурье, то целое число п укажет соответствующий обертон, однако, помимо основной частоты, рассматриваемый звук будет включать множество обертонов.

Музыкальные инструменты и ряд Фурье

Как правило, мы способны отличить звук флейты от звука скрипки, даже если на них сыграть одну и ту же ноту, например, до первой октавы, которая имеет частоту 261,6 Гц. На языке музыки говорится, что эти звуки имеют разный тембр, однако их тон (частота) и сила одинаковы. На рисунке вы можете сравнить звук флейты и скрипки (выделен серым) при исполнении одной и той же ноты. На графике представлена кривая, описывающая чистый звук (выделена черным), издаваемый камертоном, настроенным на ноту до первой октавы.

Как видите, звук флейты достаточно схож с чистым звуком, полученным с помощью камертона, – не случайно звучание флейты считается наиболее чистым, в то время как звук скрипки сложнее. В звуковых волнах, синтезируемых инструментами, содержатся обертоны, частоты которых кратны частоте основного звука. Определение интенсивности обертонов называется анализом Фурье.

Гейзенберг решил: чтобы описать эквивалентную величину в квантовой механике, одного целого числа будет недостаточно, так как наблюдаемые частоты соответствуют переходу между двумя квантовыми состояниями. Для простоты будем описывать каждое состояние единственным квантовым числом п. Следовательно, эквивалентом классического ряда Фурье будет сумма с двумя индексами – двойная сумма членов вида x_mn(t). Иными словами, чтобы определить положение электрона в произвольней момент времени, нужно составить для каждого момента времени таблицу чисел. Количество ее строк и столбцов будет равно количеству состояний атома. Гейзенберг также предположил, что эта новая квантовая величина должна описываться теми же уравнениями, что и ее аналог в классической физике – например, законом Ньютона, согласно которому сила равна произведению массы на ускорение, или любой другой эквивалентной формулировкой. В простых случаях Гейзенбергу удалось получить выражения для расчета амплитуд, соответствующих величинам x_mn(t), а также для вычисления энергии стационарных состояний.

Новая модель выглядела непротиворечивой, однако ученый все еще не был в ней уверен – в этой модели предполагалось, что существует некое странное свойство, связанное с произведениями двух величин, x(t) и y(t). Как представить таблицу для произведения чисел через таблицы чисел для каждого множителя? Гейзенберг сделал это так:

[x(t)y(t)]_mn =x_m1(t)y_1n(t) +x_m2(t)y_2n(t) +x_m3(t)y_3n(t) +…

Согласно его гипотезе, «в то время как в классической теории x(t)y(t) всегда равно y(t)x(t), это соотношение необязательно выполняется в квантовой теории». Несмотря на всю странность этого вывода, Гейзенберг решил изложить свои идеи, расчеты и результаты письменно. Он передал рукопись Борну и попросил опубликовать ее, если тот будет согласен с написанным. После этого молодой ученый сразу же отправился в далекий путь: его ждали конференции в Голландии и Англии, отпуск в Скандинавии в компании скаутов и продолжение работы в Копенгагене.

Странное правило умножения, описанное Гейзенбергом, сбило Борна с толку. Он обдумывал новую модель несколько дней и наконец понял, что уже видел это правило, когда изучал математику в университете: таблицы Гейзенберга соответствовали матрицам, произведение которых не обладает коммутативностью. После того как Борн убедился в правильности рассуждений Гейзенберга, он отправил рукопись в «Физический журнал», где она была опубликована в сентябре 1925 года.

Вместе с новым ассистентом Паскуалем Йорданом Борн изложил теорию Гейзенберга на языке матриц. В объемной статье исследователи объяснили матричные методы и адаптировали их к квантовой физике. Кроме того, они переопределили переменные и функции классической механики с помощью квантовых матриц и обнаружили матричные аналоги почти для всех уравнений механики. Взяв за основу абстрактные матричные выражения, Борн и Йордан получили формулы расчета энергии стационарных состояний. Все это позволило «ожидать, что на основе новой теории будут сформулированы четкие физические законы». Борн и Йордан обнаружили крайне любопытное соотношение между матрицами, обозначающими положение и импульс частицы. Напомним, что импульс равен произведению массы на скорость, и в классической механике высокого уровня использовать импульс удобнее, чем скорость. Как правило, положение частицы и ее импульс обозначаются буквами q (вместо х, которую мы использовали до этого) и р соответственно. Обозначив соответствующие матрицы заглавными буквами, Борн и Йордан записали найденное ими соотношение следующим образом:

Q•P-P•Q = ihI,

где i = sqrt(-1) – мнимая единица, h = h/2π – редуцированная постоянная Планка, I– единичная матрица. Элементы единичной матрицы, расположенные на главной диагонали, равны единице, все прочие – нулю. Это соотношение любопытно тем, что в нем присутствует число i. Оно было описано в XIX веке Коши и Гауссом и иногда используется в физике для упрощения некоторых формальных расчетов, однако в этой формуле мнимая единица появилась совершенно неожиданно, и в этом – еще одна особенность квантовой механики.

Матрицы

Матрица – это таблица с числами, которые обозначаются двумя индексами: первый указывает строку, в которой находится число, второй – столбец. К примеру, квадратная матрица из двух строк и двух столбцов выглядит так:

Сложение и вычитание матриц интуитивно понятны: для этого нужно почленно сложить или вычесть элементы исходных матриц. Произведение матриц рассчитывается по особому правилу:

При умножении матриц порядок множителей, в общем случае, влияет на конечный результат. К примеру, произведения матриц

равны

Эти матрицы различаются между собой. Разностью этих произведений будет матрица

В общем случае, в квантовой механике используются квадратные матрицы бесконечной размерности, то есть имеющие бесконечное число строк и столбцов.

В сентябре Борн и Йордан отправили копию своей работы Гейзенбергу, который к тому времени уже находился в Копенгагене. Молодой ученый показал работу Бору со словами: «Здесь полно матриц, и я не представляю, что они означают». В результате Гейзенбергу пришлось срочно изучить матричную алгебру. Стремясь сформулировать новую механику, он переписывался с Борном и Йорданом. Результатом совместной работы стала статья под названием «О квантовой механике, часть II», законченная в ноябре 1925 года и подписанная Борном, Гейзенбергом и Йорданом в алфавитном порядке. Это была знаменитая Dreimannerarbeit («работа трех») с изложением основ новой теории на языке математических выкладок. В статье были по-новому сформулированы начальные постулаты квантовой теории: в ней описывалось существование стационарных энергетических состояний атомов и квантовые скачки между состояниями, сопровождающиеся излучением или поглощением света. Авторы называли свою теорию «истинной теорией дискретного». Она позволяла провести все необходимые расчеты для любой системы с периодическим движением и описать свойства атомов с помощью новой матричной механики.

Многие физики отнеслись к матричной механике прохладно; собственно, большинство из них даже не знали, что такое матрица. Эйнштейн писал своему другу Мишелю Бессо:

«Самым интересным из недавних теоретических результатов является теория квантовых состояний Гейзенберга, Борна и Йордана. Это по-настоящему волшебная таблица умножения, где на смену декартовым координатам пришли бесконечные матрицы. Она крайне любопытна и ввиду огромной сложности в достаточной мере защищена от опровержений».

Матричная теория была слишком абстрактной, и большинство ученых с облегчением приняли более доступную волновую механику, описанную Шрёдингером несколько месяцев спустя.

Иные формулировки квантовой механики

Напомним, что в 1923 году Луи де Бройль предположил, что электрону свойственен корпускулярно-волновой дуализм, то есть он ведет себя и как частица, и как волна, и разрешить этот дуализм можно с помощью законов оптики. При описании интерференции и дифракции света необходимо использовать волновые уравнения физической оптики. Однако при описании движения света в различных средах достаточно рассмотреть прямолинейные траектории, как если бы речь шла о движении частиц с разной скоростью в зависимости от среды. Задачи этого типа решаются в геометрической оптике. С XIX века было известно, каковы геометрические пределы физической оптики и когда следует рассматривать лучи света вместо волн. Де Бройль предположил, что в этом математическом формализме классической физики можно найти аналогию с квантовым дуализмом. Австрийский физик Эрвин Шрёдингер решил тщательно рассмотреть эту аналогию для квантовых частиц, в частности электрона. В 1926 году он опубликовал шесть статей, в которых описал основы иной формулировки квантовой механики – волновую механику. В ее первом абзаце было сказано:

«В этой статье мне прежде всего хотелось бы показать на простейшем примере нерелятивистского свободного атома водорода, что обычные правила квантования могут быть заменены другими положениями, в которых уже не вводится каких-либо «целых чисел». Эти целые числа выводятся естественным образом, подобно целому числу узлов при колебаниях струны. Это новое представление может быть обобщено, и я верю, что оно тесно связано с истинной природой квантования».

Уравнение Шрёдингера

В формулировке, которая была предложена Эрвином Шрёдингером в 1925 году, состояние системы взаимодействующих частиц полностью описывается ее волновой функцией (ψ), которая зависит от времени и координат частиц. Если опустить релятивистские эффекты, то волновая функция будет решением уравнения