Текст книги "На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы"
Автор книги: Довид Ласерна
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 10 страниц)
Глава 3
Поиски смысла
Зарождающаяся квантовая механика поставила перед классическими теориями множество ограничений, необходимых для воспроизводства результатов экспериментов. Уравнение Шрёдингера положило начало второму акту квантовой трагедии. Ученый долго не мог отказаться от интерпретации своего открытия в духе классической физики, но этот решающий шаг сделали Гейзенберг, Борн и Бор.
С января по июнь 1926 года Шрёдингер, охваченный творческой лихорадкой, написал полдюжины статей, открывая в квантовой механике неожиданные горизонты. Свидетель этой работы вспоминает, что Шрёдингер воткнул в уши затычки, чтобы не отвлекаться на шум и не терять концентрации. В общем, это был настоящий марафон, отмеченный локализованной (но основательной) помощью Германа Вейля. Как заметил Зоммерфельд, по счастливому стечению обстоятельств Шрёдингер подружился в Цюрихе с этим несравненным математиком, и с тех пор они встречались каждый вторник, чтобы обсуждать свои достижения.
Волновая механика порождала новые ожидания внутри научного сообщества. Как в любом хорошем романе, любопытство читателей разгоралось с каждой новой публикацией. Некоторые читали появляющиеся труды с благоговением, другие исписывали поля каждой страницы знаками вопроса, замечаниями и возражениями. Наконец, Шрёдингер решил отложить перо, чтобы отправиться на ряд научных конференций и обсудить там с коллегами новые идеи.
Во время этого путешествия ученый снова посетил места, где началась его университетская карьера, – Штутгарт, Йену и, конечно же, Берлин – столицу немецкой физики. Именно там он встретил Планка, который, словно престарелый Зевс, подумывал о предстоящей пенсии и присматривал себе достойного преемника.
Иногда Планк приходил к Шрёдингеру, чтобы рассказать ему о разных новостях и других ученых – ведь «физика не сводится к исследованию атома, как и наука не сводится к физике, как и жизнь не сводится к одной физике». Следуя этому правилу, Шрёдингер решил на время отвлечься от высшей математики и начал давать частные уроки сестрам Юнгер – Ите и Розите. Эти 14-летние близняшки, знакомые родственников Аннемари, отставали по алгебре. Ита нуждалась в помощи больше своей сестры, поэтому Шрёдингер сконцентрировал внимание на ней. Однако обучение столкнулось с некоторыми сложностями. Нет, дело не в уроках – занятия пошли девушке на пользу: Ита блестяще сдала экзамены. Проблема лежала за пределами педагогики. Если вначале Шрёдингеру хватало предлогов для общения со своей юной подопечной, то в дальнейшем ему пришлось эти предлоги выдумывать, с чем он, надо сказать, гениально справлялся. Он начал оказывать Ите знаки внимания – сначала осторожно, затем открыто, пока она, наконец, не задула 17 свечей на именинном торте.
Однако это небольшое отвлечение не стало преградой для профессиональных обязанностей Шрёдингера. В этом же году, 18 декабря 1926 года, он отправился из Гавра в США, где его ждало утомительное турне: 50 конференций за три месяца. Шрёдингер был крайне раздражен во время всего путешествия. Готовясь к поездке в Нью-Йорк, он не находил для Статуи Свободы других эпитетов, кроме как «гротескная», «полукомичная», «полууродливая». Аннемари тоже слегка нервничала: она опасалась преступников, боялась шума и дорожной пыли. Нарочитое дружелюбие торговцев в магазинах тоже казалось чужим и непривычным. Шрёдингер был не прочь выпить хорошего вина в теплой компании, но в Америке в это время действовал сухой закон. Ученый проехал из конца в конец большую шахматную доску Соединенных Штатов: Нью-Йорк, Мэриленд, Массачусетс, Иллинойс, Айова, Миннесота, Юта и Калифорния. Он не только говорил о волновой механике (иногда уже через силу), но даже нашел время посетить знаменитые туристические места. Побывал он в индейской резервации, Большом Каньоне в Колорадо, на холмах Голливуда. Проезжая через Солт-Лейк-Сити, ученый обратил внимание на традицию многоженства у мормонов. А 10 апреля он отмечал возвращение в Цюрих, откупоривая бутылку хорошего вина.
В следующем месяце в Берлине приступили к поискам преемника Планка на кафедре теоретической физики. Некоторые кандидаты были отклонены по различным причинам: Эйнштейн, например, уже занимал престижный пост в Берлине; талантливый Гейзенберг был слишком молод. Хорошей кандидатурой был Зоммерфельд, но он отказался покидать Мюнхен.
Когда все эти кандидатуры были отклонены, выбор заключался между двумя кандидатами – Шрёдингером и Максом Борном.
Шрёдингер имел определенные преимущества: если Борн отличался довольно сдержанным и даже скрытным характером, то наш венец явно был более яркой личностью. Кроме того, научного веса ему добавляли последние работы по волновой механике. Да и сам Планк был убежден, что Шрёдингер выведет физику из тупика. Словом, выбор был сделан.
Когда он получил это достойное предложение из Берлина, его первой реакцией было написать им: «Я глубоко огорчен, но я не могу вместить всего себя в часы лекций. У меня нет возможности работать по утрам».
Аннемари Бертель о реакции Шрёдингера на предложение из университета Берлина
Услышав о новостях из Берлина, студенты Цюриха организовали факельное шествие. Они подошли к дому Шрёдингера и умоляли его не оставлять их. Этот жест, несомненно, был приятен ученому, но остановить его не мог, потому что решение уже было принято. Однако едва Шрёдингер распаковал чемоданы в столице Пруссии летом 1927 года, как у него возникло предчувствие, что в Берлине он задержится не так уж и надолго.
Впервые открывая окна своей берлинской квартиры в богатом квартале Грюнвальд и вдыхая ароматы бука и сосны, Шрёдингер мог еще раз подумать о своем молниеносном переезде. Прошло семь лет с тех пор, как он покинул Вену ради должности ассистента в маленьком немецком университете. И за эти годы он взобрался на вершину физики.
В берлинских аудиториях Эрвин впечатлял студентов своим даром оратора, но почти не уделял им внимания помимо лекций. При всех своих талантах Шрёдингер был очень плохим наставником, особенно в сравнении с Бором, Борном или Зоммерфельдом. Как и Эйнштейн, наш герой был волком-одиночкой. Производила на окружающих впечатление и его манера одеваться – дерзкая, даже немного развязная, она в действительности скрывала консервативный ум ученого. В феврале 1929 года он стал членом Прусской академии наук. В 42 года он был самым молодым преподавателем университета. В Берлине Шрёдингер подружился с Эйнштейном. Братья по оружию на баррикадах квантовой войны, которая вскоре будет объявлена, они чувствовали еще и творческую солидарность перед лицом берлинского формализма.
Чтобы компенсировать неустойчивость своего брака, который переживал новый трудный период, Эрвин и Аннемари решили вести насыщенную социальную жизнь. Каждую неделю они организовывали у себя дома «вечер венских колбасок». Аннемари оказывала меценатскую помощь самым разным фестивалям, вроде того бала-маскарада, который превратил их квартиру в «Отель ψ ψ*». Город, отличавшийся очень богатой культурой, стал постоянным источником искушения для Шрёдингера и напоминал ему о золотой венской молодости, правда, на смену новаторским пьесам Франца Грильпарцера пришли драмы Бертольта Брехта. У Шрёдингера всегда был выбор между тем, куда пойти: в театр на Марлен Дитрих или Рут Берлау, послушать Лотте Ленья или просто посидеть в кабаре. Увы, на улицах Берлина пышно цвели не только цветы искусства. Эта почва оказалась очень благодатной для терний национал-социализма, который вскоре пустил корни и в садах преподавателей.
Несмотря на то что Шрёдингер не был замечен в политической активности и не участвовал в общественных организациях, он ненавидел нацистов. День 1 апреля 1933 года был объявлен национальным днем бойкота еврейских предпринимателей. Витрины были завешаны устрашающими плакатами, в которых немецким патриотам не советовали делать покупки, а для нечувствительных к пропаганде или даже противостоящих этим советам людей возле дверей всех еврейских магазинчиков, медицинских кабинетов и адвокатских бюро стояли бравые малые в коричневых рубашках. Возмущенный Шрё– дингер даже избил кого-то, кто слишком активно выступал в поддержку этих акций устрашения. Один из его студентов, водружая свастику, которая была обязательной, вытащил преподавателя из этой неразберихи и помог ему избежать допроса с пристрастием. Быстрое развитие национал-социализма привело к тому, что чистка евреев началась не только на улицах, но и в общественных учреждениях. Через неделю после бойкота был принят закон, предусматривающий исключение из администрации любого служащего с сомнительными взглядами или неспособного доказать чистоту своего происхождения. Реакция немецкого университетского сообщества была очень неоднозначной, однако количество возражений можно было посчитать по пальцам. Многие решили спасаться бегством, они оставили свои места, на которые сразу же были назначены другие лица, пусть даже не обладавшие должным профессионализмом, но с достаточной чистотой арийской крови. Возможность повысить социальный статус не упустили молодые карьеристы и старые ученые с потускневшей славой.
Когда у Шрёдингера спросили, почему он покинул Германию, тот ответил: «Я терпеть не могу, когда меня донимают политикой», – ответ стандартный и мало что говорящий. Но становится понятно, что за ним скрывается, если знать, что очень многие профессора в этой же ситуации предпочли терпеть это донимательство. Ни Эрвин, ни Аннемари не были евреями, так что режим им не угрожал. Но все-таки в свои 46 лет Шрёдингер, занимавший один из самых видных университетских постов в мире – трон Берлина, по собственному желанию променял его на неизвестность ссылки.
Однако, несмотря на все эти чрезвычайные политические и личные обстоятельства, жизнь шла своим чередом. Отношения Шрёдингера с молодой Итой привели к ее беременности. Ученый уговаривал подругу сохранить ребенка, однако разводиться не собирался. Ита решила избавиться от плода, и их со Шрёдингером отношения потеряли былую теплоту. Однако ученый обратился за утешением к Хильдегунде, жене его давнего друга, австрийского физика Артура Марха. В течение нескольких месяцев Хильда отвергала все его знаки внимания, но в конце концов и она не устояла перед обаянием Шрёдингера.
Летом 1933 года несколько ученых, решивших покинуть Германию, договорились встретиться. Они хотели последний раз насладиться солнцем, горными пейзажами севера Италии и общением друг с другом. Вейль, жена которого была еврейкой, отправлялся в Институт перспективных исследований Принстона. Еврея Борна ждал Кэмбридж. А Шрёдингер нашел временное пристанище в колледже св. Магдалины в Оксфорде. Друзья выбрали самые красивые и самые уединенные места, чтобы надолго оставить в памяти теплые воспоминания и чтобы ничего не испортило момент. В какой-то момент Эрвин и Хильда покинули компанию и отправились на велосипедную прогулку в окрестности озера Гарда. Здесь все и произошло. Вскоре выяснилось, что Хильда забеременела. Отчасти поэтому одним из условий, которое Шрёдингер поставил перед английской стороной,– это пост ассистента для Артура Марха.
Аннемари, Эрвин и Хильда прибыли в Оксфорд 4 ноября. Через пять дней в скромном отеле, где они остановились, раздался телефонный звонок. Редакция The Times сообщила Аннемари новость, которая только готовилась к публикации: ее муж разделил с Полем Дираком Нобелевскую премию по физике.
С возвращением Шрёдингера из Стокгольма ситуация стала крайне деликатной: и Шрёдингер, и Хильда не скрывали своих отношений от Аннемари и Артура. Аннемари стала второй матерью девочке, которая родилась 30 мая 1934 года и была названа Рут Джорджия Эрика Марх. Только в возрасте 17 лет Рут узнала, кто был ее биологическим отцом. Однажды на пляже Эрвин сказал ей: «Посмотри на свои ноги. Они точь– в-точь как мои».
Шрёдингер почти не прилагал усилий, чтобы уберечь свою репутацию. Скоро в Оксфорде пошли слухи о том, что у него две жены, а ученый и без этих неприятностей чувствовал себя в колледже св. Магдалины не очень уютно. Шрёдингеру не хватало немецкой университетской системы, и он каждый день помнил, что его пост был создан специально для него, для беженца. Такая «жизнь благодаря великодушию других» его подавляла.
(Мужчины) чувствовали смущение в присутствии женщин. <...> Жизнь в колледжах была организована, как в монастыре. Хороший стол, хорошие напитки предназначались для мужчин. Если какой-либо коллега был женат, его жену не принимали.
Впечатление Шрёдингера об обстановке в колледже св. Магдалины в Оксфорде
Часто бывало, что ученому «становилось не по себе, когда его сосед по столу, которому он с присущей ему откровенностью высказывал свое мнение, принимал важный вид, почти как какой-то бывший премьер-министр». Тоска по дому все не проходила, и в это время давний университетский друг Шрёдингера Ганс Тирринг предложил ему место профессора в университете Граца – австрийском городе, расположенном на юго– востоке страны. Шрёдингер почувствовал, что части большого пазла его жизни, который разлетелся после побега из Берлина, наконец, становятся на место. Отношения Артура и Хильды исчерпали себя. По возвращении на родину Шрёдингер найдет себе новую работу, вернет родной язык, свою дочь Рут, а также обретет новую любовь – Ханси Бауэр, дочь генерального директора страхового общества, в котором Аннемари работала после их помолвки в Вене.
Богатый внутренний мир ученого мешал ему ясно видеть происходящее вокруг него. Шрёдингер даже не подозревал, что его страна вскоре будет присоединена к Третьему рейху... И что нацисты не забыли его дерзкого отъезда из Берлина. Через много лет он расценит это решение вернуться домой как «беспрецедентную глупость».
Аллергия на классическую физику
Вернер Гейзенберг благодаря отличному образованию обладал нестандартным мышлением. Его отец был профессором греческого языка в университете Мюнхена, мать – дочерью ректора закрытого института. Гейзенберг любил быть первым во всем, чем занимался, – не важно, о чем шла речь: о теоретической физике, игре в настольный теннис или музицировании на пианино (на этом инструменте он играл с почти профессиональной виртуозностью). В мире науки Гейзенбергу посчастливилось встретить лучших учителей: «Я выучил физику, смешанную с оптимизмом Зоммерфельда и математикой Макса Борна, тогда как Нильс Бор посвятил меня в глубокий философский смысл научных проблем».
Неожиданный приход Гейзенберга в квантовую механику означал появление человека, который мыслил оригинально и без всяких обязательств по отношению к наследию прошлого. Планк был прав, утверждая, что «новая научная правда побеждает не потому, что удается переубедить оппонентов и заставить их прозреть, а больше благодаря тому, что оппоненты в конце концов умирают, уступая место новому поколению, для которого эта правда уже привычна». Для движения вперед нужно было, чтобы пришло новое поколение, способное без внутренних затруднений работать над пробелами, уже заполненными квантовой теорией, и углублять знание. Первая мировая война задержала упомянутую смену поколений. Многие молодые ученые, такие как Шрёдингер, должны были оставить исследования и пойти на фронт. Кто-то из них не вернулся из окопов, и их возможный вклад в науку погиб вместе с ними. В первые послевоенные годы Германия, изгнанная из международного сообщества, страдала от научной изоляции. Однако когда Гейзенберг вошел в зрелый возраст, лед тронулся.
В статье, которая вскоре сделает его знаменитым, Гейзенберг прислушался к словам из «Логико-философского трактата» Людвига Витгенштейна, опубликованного четырьмя годами ранее: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать». Он применил этот совет, исследуя мир атомов: «О том, что невозможно измерить, следует умолчать». Объясняя феномены, ученые должны были воздержаться от введения элементов, которые невозможно измерить в лаборатории. Добавление любого элемента ради того, чтобы облегчить понимание, могло завести науку в тупик. Так Гейзенберг положил начало физике для канатоходцев. Прежде всего необходимо придерживаться математических правил. Тот, кто видел дальше других благодаря своему воображению, заканчивал тем, что спотыкался. Исходя из этого было несложно предвидеть результат: не следует применять интуитивное понимание к теории, которую невозможно увидеть. Статья Гейзенберга под названием «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» появилась летом 1925 года – за шесть месяцев до волновой механики Шрёдингера.
Австрийский физик получает Нобелевскую премию из рук короля Швеции Густава V в 1933 году.
Шрёдингер в период своего пребывания в колледже св. Магдалины в Оксфорде (около 1934 года), где он активно участвовал в споре относительно интерпретации квантовой теории.
Эрвин Шрёдингер на конференции, около 1950 года.
Если Шрёдингера охватывало творческое вдохновение, когда он находился на курорте в компании таинственной дамы, то Гейзенбергу меньше повезло с романтическими обстоятельствами: к нему пришло озарение, когда он в полном одиночестве находился на острове Гельголанд в Северном море, в 70 километрах от суши – остров был почти полностью лишен растительности, и ученый здесь надеялся спастись от жестокого приступа сезонной аллергии. «По прибытии на остров я, должно быть, находился в жалком состоянии, – вспоминает он. – Из-за моего опухшего лица дама, которая сдавала мне комнату, заподозрила, что я подрался накануне вечером, и прочитала мне наставления».
Гейзенберг на острове много купался и гулял в дюнах, но также оставлял время для размышлений. Ученый поставил перед собой сложную задачу – «создать теоретическую базу для квантовой механики, которая основывается исключительно на отношениях между величинами в принципе наблюдаемыми». Он откинул несколько заметок, например об орбитах Бора, в которых было написано, что представлениям об орбитах электронов мы обязаны воображению, поскольку до сих пор никто не смог их зарегистрировать с помощью экспериментов и приборов. Гейзенберг решил опираться в поисках математической закономерности только на наблюдаемые величины.
В случае спектров это частоты и интенсивности, и ни к чему бессмысленное отслеживание положения и скоростей электронов. Гейзенберг разработал систему, в которой наблюдаемые объекты были единственным материалом для построения модели. Главная забота ученого состояла в том, чтобы дать наблюдаемому объекту концептуальную основу, свободную от противоречий: «Особенно меня терзали сомнения относительно того, будет ли выполняться закон сохранения энергии. Я знал, что если энергия не сохранится, значит, концепция неверна».
Принципиальные измеримые показатели, относящиеся к динамике частицы (заряд, частота или энергия), характеризовали ее переход между начальным и конечным состоянием, которое ученый представил совокупностью характеристик пит. Затем он подключил к переходам вероятности и выявил правила, их регулирующие. Гейзенберг доказал мастерство, воплощая свои физические предположения с помощью математических моделей, которые он не знал и с которыми импровизировал.
И тут ученый наткнулся на «существенную сложность». В своих расчетах, умножая заряд одной частицы на ее энергию, он получал разные результаты, когда менял местами множитель и множимое. И даже несмотря на это расчеты не приводили к несогласованности. Когда Гейзенберг увидел, что закон сохранения энергии соблюдается, его охватило сильнейшее волнение:
«В первый момент я до глубины души испугался. У меня было ощущение, что я гляжу сквозь поверхность атомных явлений на лежащее глубоко под нею основание поразительной внутренней красоты, и у меня кружилась голова от мысли, что я могу теперь проследить всю полноту математических структур, которые там, в глубине, развернула передо мной природа. Я был так взволнован, что не мог и думать о сне. Тогда я вышел из дома и направился к южной стороне острова. Там я заметил огромную скалу в виде башни, она возвышалась над морем, и я захотел взобраться на нее. Уже на вершине я дождался восхода солнца».
После возвращения с Гельголанда Гейзенберг провел три недели, расшифровывая свои сделанные на скорую руку записи. Не вполне доверяя себе, молодой ученый решил отдать рукопись Максу Борну, чтобы узнать его мнение, а сам в это время отправился на конференции в Лейден и Кэмбридж. За время его отсутствия Борн прочитал статью. Это чтение «воодушевило его так, словно после кругосветного плавания он наконец-то увидел долгожданную землю». К счастью для Гейзенберга, любопытство Борна толкало его присутствовать на множестве лекций, которые читались в Бреслау: астрономия, логика, химия, философия, зоология и... высшая алгебра. Борн увидел в правилах Гейзенберга скрытую структуру, знакомую математикам, – матрицы.
Уж если Макс Борн, который мог похвастаться солидными знаниями математики, должен был перерыть закрома своей памяти, чтобы вспомнить прошлые занятия по алгебре, можно представить эффект, произведенный статьей Гейзенберга на большинство физиков, которые все эти матрицы попросту игнорировали. Математика была абстрактной наукой и на взгляд новичка таила в себе что-то недосказанное, секретное. Даже для последующих физиков, привычных к языку матриц, расчеты Гейзенберга казались неявными, да они и не приводились полностью в статье «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений». Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии по физике 1979 года, видел в матрицах нечто магическое: «Если то, что сделал Гейзенберг, озадачивает читателя, то вы, читатель, не одиноки. Несколько раз я пытался прочесть статью, написанную Гейзенбергом по возвращении с Гельголанда, и хотя, как мне кажется, я понимаю квантовую механику, мне никогда не удавалось уловить те мотивы, которые побудили Гейзенберга к математическим действиям в его работе».
Борн провел лето 1925 года вместе со своим ассистентом, математиком Паскуалем Иорданом, шлифуя идеи Гейзенберга, используя матрицы. В этой работе участвовал и сам Гейзенберг, сначала с помощью писем, затем – лично, когда вернулся с каникул. Наконец, эти трое опубликовали совместную статью, в которой изложили официальную версию матричной механики. Физикам эта работа известна под названием Dreimannerarbeit («Произведение трех мужчин»). И подход авторов был так же необычен, как и сам мир атомов.
