Текст книги "Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания"

Автор книги: Пол Хэлперн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 26 страниц)

Дракон зимой

По окончании заседания Шрёдингер сразу умчался на своем велосипеде, уклонившись от назойливых репортеров. Он крутил педали изо всех сил, несмотря на снег, пробираясь сквозь пробки так быстро, как только мог. Журналистам удалось поймать Шрёдингера только в его доме на Кинкора-роуд. Он раздал им экземпляры своей речи, а также несколько дополнительных страниц с комментариями для неспециалистов. Сама новость, без сомнения, уже была по дороге к редакциям, начав путь к национальной и даже общемировой известности.

Пресс-релиз Шрёдингера под названием «Новая теория поля» начинался с исторического обзора гипотез о частицах и их взаимодействиях со времен древних греков и до Эйнштейна. Он показал, что на протяжении веков ученые страстно стремились описать материю и силы природы с помощью геометрии. Это был блистательный фундамент его собственных исследований. Его рассказ как бы подразумевал, что он будет преемником греков и Эйнштейна. После описания сути своей теории он повторил, что к таким же выводам могли прийти Эйнштейн и Эддннгтон еще в 1920-е годы, будь они более открытыми и беспристрастными. Также он сказал, что убежден в том, что его теория почти наверняка верна. Доказательством должны послужить исследования магнитного поля Земли, которое, как он полагал, могло быть объяснено только на основе его теории.

На следующий день Irish Press сообщила, что Шрёдингер произнес историческую речь. «Эта теория должна объяснить всё в области теории поля», – цитировали они слова Шрёдингера. Помимо краткого содержания лекции, репортаж включал в себя интервью с ним, в котором его попросили дать более простое, понятное всем объяснение теории. Он ответил: «Практически невозможно упростить теорию до такой степени, чтобы обычный человек с улицы смог ее понять. Она открывает новые перспективы в области теории поля. Это именно то, чем мы, ученые, должны заниматься, вместо того чтобы создавать атомные бомбы. Новая теория является обобщением предыдущих. Теперь теория Эйнштейна становится просто ее особым частным случаем. Так же как движение камня, брошенного вертикально вверх, – это частный случай более общего движения по параболе»^{176}.

Отвечая на вопрос о том, почему Эйнштейн раскритиковал более раннюю версию этой теории, Шрёдингер ответил, что это хороший пример для молодых физиков, который показывает, что даже самые блестящие ученые могут ошибаться. Иными словами, он утверждал, что достаточно разбирается в вопросе, чтобы игнорировать авторитет Эйнштейна и действовать по собственному разумению в поисках верного решения. Допуская, что он, в свою очередь, тоже может ошибаться, Шрёдингер сказал, что в этом случае он будет выглядеть «ужасным дураком».

Международные СМИ быстро подхватили историю Irish Press. Например, 31 января в Christian Science Monitor сообщалось, что Шрёдингер превзошел Эйнштейна и создал единую теорию поля, тем самым решив проблему, занимавшую физиков уже более тридцати лет^{177}.

Вскоре первоначальная уверенность Шрёдингера сменилась мучительными сомнениями по поводу того, как будет воспринята его дерзкая выходка. Что подумает Эйнштейн, когда узнает? Конечно, он поймет все обстоятельства: положение DIAS, находящегося в осаде и отчаянно нуждающегося в финансировании; присутствие в аудитории де Валера, на которого он должен был произвести впечатление; журналистские сплетни. В конце концов, это же был просто научный доклад. Он высказывал свои тезисы исключительно в контексте научной дискуссии, а раструбила о них пресса. Так Шрёдингер оправдывал свои действия.

Третьего февраля он написал Эйнштейну о своих новых результатах и реакции прессы на них. Шрёдингер предупредил Эйнштейна о том, что вскоре репортеры начнут расспрашивать его о новой теории, и приводил слабые оправдания в свой адрес. Ситуация с окладами и пенсиями в DIAS, писал Шрёдингер, настолько плоха, что он решил немного прихвастнуть, чтобы привлечь внимание к институту. Иными словами, он несколько преувеличил значение своих результатов ради создания позитивного имиджа института, так остро нуждавшегося в финансировании.

В конце письма Шрёдингер рассуждал о том, что он будет делать, если его лагранжиан, основанный на детерминанте, окажется неверным. «Я буду ложиться спать с детерминантом и просыпаться с ним, – писал он. – Я не вижу ничего более разумного… Если окажется, что это не так, тогда я буду игуанодоном, скажу: “Холодно, холодно, холодно” и засуну свою голову в снег»^{178}.

Шрёдингер объясняет в письме, что игуанодон – это персонаж из повести Курда Лассвица. Хотя Шрёдингер буквально об этом не пишет, давайте попробуем разобраться, что он имел в виду. Лассвиц был известным писателем-фантастом. В его романе «Хомхен – сказки верхнего мела» (Хомхен – это сказочное животное из верхнего мелового периода) игуанодон – это дракон из доисторических времен с длинной шеей. Он живет среди густых папоротников и привык к жаркому солнцу. В один прекрасный день он обнаруживает, что погода становится все холоднее. Он высовывает голову из своего логова, но быстро втягивает ее обратно, бормоча при этом: «Холодно, холодно, холодно». Из-за изменения климата он остается без завтрака до тех пор, пока не потеплеет. Кто знает, как долго ему придется ждать?

Действительно, в снежную зиму 1947 года Шрёдингер был как дракон, который извергал огонь, но которому в итоге пришлось отступить. Пламя его претенциозных заявлений испепелило отношения с одним из его самых близких друзей. Его усилия по налаживанию сотрудничества ради поисков единой теории поля превратились в дым. Эйнштейн на некоторое время перестал ему писать. Все произошло в точности так, как Шрёдингер и опасался: он оказался обречен на «холодно, холодно, холодно».

Дублин под огнем критики

Одна из международных новостей срикошетировала обратно в Дублин и сильно ударила по его самолюбию. Под руководством де Валера Дублин пытался позиционировать себя как центр научной мысли. Тем не менее в статье в Time от 10 февраля не только игнорировались его достижения, но и сам город представлялся далеким от науки. Статья начиналась словами: «На прошлой неделе из всех уголков ненаучного Дублина прилетели известия о человеке, который не только понимает Эйнштейна, но и продвинулся чудовищно далеко вперед (как он сам говорит) в туманную электромагнитную бесконечность… Если это так, он выиграл научный Большой шлем»^{179}. В верхней части страницы публикации приводился предложенный Шрёдингером лагранжиан и связанные с ним математические выкладки, а также отмечалось, что «для неспециалистов все это выглядит как малопонятные закорючки».

Эта резкая критика ирландской науки попалась на глаза математику Йонну Лайтону Сингу, урожденному дублинцу, который в то время был профессором Технологического института Карнеги в Питтсбурге. Синг написал редактору письмо, опубликованное 3 марта, в котором указал, что Гамильтон был родом из Дублина^{180}.

Вместо того чтобы признать приведенный Сингом пример известного дублинского ученого, редактор перешел на личности. В опровержении, последовавшем за письмом, он сослался на дядю Синга, драматурга Джона Миллингтона Синга, как на аргумент в пользу того, что Дублин – это город писателей, а не ученых. «Пусть дублинский математик Синг вспомнит духов своего города (среди которых и его дядя, автор пьесы «Удалой молодец – гордость Запада») и признает, что Дублин – это город писателей».

Синг, несомненно, хотел отделить себя от дяди и объяснить, что Дублин – это родина многих талантливых людей разных профессий. Но ответ редактора показал, как все-таки трудно преодолеть стереотипы.

Интересно, что на следующий год Синг будет утвержден на должность профессора в дублинский Институт передовых исследований, где он будет работать в течение многих лет бок о бок со Шрёдингером. Там он внесет значительный вклад в изучение общей теории относительности. Этот вклад будет настолько значительным, что биограф Синга назовет его «пожалуй, самым выдающимся ирландским математиком и физиком-теоретиком со времен Гамильтона»^{181}.

Ирландские газеты обратили внимание на спор о научных заслугах Дублина. Irish Times назвала Синга «блестящим математиком»^{182}. В другой ирландской газете Тиат Herald обсуждалась парламентская шумиха вокруг факультета космической физики. После короткого пересказа статьи из Irish Times и комментариев Синга следовал вывод, что «позиция некоторых наших депутатов по поводу недавней дискуссии в палате представителей о космической физике дает много пищи для размышлений»^{183}.

Очевидно, что дискуссии по обе стороны Атлантики о том, является Дублин «научным» или нет, отражают те сомнения, которые де Валера хотел развеять путем создания DIAS и привлечением к его работе Шрёдингера. Но, несмотря на все его усилия, похоже, что он потерпел неудачу в деле разрекламированного на весь мир ирландского научного ренессанса.

Ответ Эйнштейна

Естественно, публику интересовало, будет ли мудрец с собственной точкой зрения на теорию относительности побит на своем пути к созданию теории объединения. Корреспондент New York Times Уильям Лоуренс, который довольно часто брал интервью у Эйнштейна в последние годы его жизни, послал ему экземпляр статьи Шрёдингера и пресс-релиз, чтобы оценить реакцию ученого. Лоуренс также отправил копии Юджину Вигнеру, Роберту Оппенгеймеру и другим выдающимся физикам. В своем обращении к Эйнштейну Лоуренс написал: «Если после изучения этих документов окажется, что вы согласны с доктором Шрёдингером, я буду глубоко признателен за ваши комментарии на сей счет»^{184}.

Times опубликовала три статьи о якобы совершившемся прорыве. Первая содержала слова Эйнштейна, что он «отказывается комментировать» (пока не появится больше информации).^{185} Другая статья вышла под следующим заголовком: «Сообщается, что теорию Эйнштейна удалось расширить: дублинский ученый утверждает, что он создал единую теорию поля, которую искали в течение 30 лет».^{186} В третьей статье отмечалось, что хотя Шрёдингер и может оказаться прав, он знает обо всех «подводных камнях на своем пути»^{187}.

Вскоре после этого еще одна пресс-группа, Overseas News Agency, действуя независимо от остальных, выслала Эйнштейну статью Шрёдингера. Управляющий директор агентства Иаков Ландау, продолжая сыпать соль на раны, также просил его высказать мнение о «достоинствах формулы и ее последствиях»^{188}.

Судя по ответу, Эйнштейн пришел в ярость. С помощью Штрауса он написал собственное заявление для прессы. Хотя начинается оно в нейтральном и научном тоне, к концу тон становится язвительным и колким. Эйнштейн писал: «Основания теоретической физики к настоящему времени не определены. Мы стремимся найти в первую очередь удобные (логически простые) основания теоретической физики. Обычный человек, естественно, склонен рассматривать ход развития науки таким образом, что основания получаются из опыта путем последовательного обобщения фактов (абстракции). Однако это не тот случай».

После объяснения, почему теория Шрёдингера представляет собой просто математическое упражнение (причем не самое удачное), а не реальный физический результат, Эйнштейн в завершение обрушился с критикой на журналистов: «Такие коммюнике, облеченные в форму сенсации, вводят широкую публику в заблуждение относительно характера научных исследований. У читателей складывается впечатление, что каждые пять минут в науке происходит революция, что-то вроде переворотов в маленьких нестабильных республиках. В действительности же в теоретической науке идет процесс постепенного развития, в который своим неустанным трудом вносят вклад лучшие умы каждого последующего поколения ученых. Вот так медленно рождается более глубокое понимание законов природы. И следует отдать должное такому характеру научной работы»^{189}.

Комментарий Эйнштейна по поводу действий прессы был вполне обоснован. Однако и ему самому можно бросить упрек в отношении его реакции на репортажи о его собственных попытках создания единой теории поля, которые во многих случаях преподносились как уже совершенный прорыв, а не как находящиеся в стадии разработки исследования. Например, когда газеты в 1929 году устроили шумиху вокруг его теории телепараллелизма, он, вместо того чтобы отказаться от всех спекуляций, выступил с публичными заявлениями о ее важности.

После того как критичный ответ Эйнштейна появился в различных изданиях, таких как Pathfinder (вашингтонский журнал), а также в ирландской прессе, Шрёдингер опубликовал свой собственный пресс-релиз, в котором представил этот вопрос как проблему академической свободы: «Конечно, за профессором Эйнштейном должно быть последнее слово в споре о правах ученых свободно высказывать свое мнение и докладывать о своих результатах в его Академии»^{190}.

Как вспоминала Энни, обе стороны даже собирались обвинить друг друга в плагиате в судебном порядке. Когда об этом узнал Паули, он решил выступить посредником. Паули предупредил, что судебный иск может плохо сказаться на репутации обоих ученых. «Кроме того, – отметил он, – я действительно не понимаю, из-за чего весь сыр-бор. Эта теория еще недостаточно осмыслена. Если вы каким-либо образом свяжете ее с моим именем, то тогда у меня тоже появится повод подать на вас в суд»^{191}.

Шрёдингер вскоре решил, что продолжать спор будет неразумно. Он и так уже серьезно конфликтовал с другом. Ситуация вышла из-под контроля. Он начал называть этот инцидент «пакостью Эйнштейна» (Einstein Schweinerei).

Хотя Шрёдингер и воздержался от продолжения дискуссии, писатель-сатирик Брайан О'Нолан решил вступиться за него. Под псевдонимом он написал разгромную колонку, в которой обвинил Эйнштейна в снобизме. «Вы знаете, мне совсем не понравилось то выступление, – прокомментировал он. – Прежде всего, обратите внимание на неприкрытую насмешку… Я, черт возьми, ведь обычный человек. А обыватели, естественно, склонны рассуждать о довольно глупых вещах, [таких как] золото, растущее на деревьях … Это просто оскорбление и ничего больше»^{192}.

Как и Шрёдингер, Эйнштейн не стал продолжать спор. Он не ответил на публикацию О'Нолана, о которой, вероятно, даже и не узнал. Тем не менее прошло еще три года, прежде чем он возобновил переписку со старым другом.

Исторические вехи

В 1948 году принстонский физик Джон Уилер, живший рядом с Эйнштейном и часто навешавший его, принес волнующее известие. Блестящий аспирант Уилера Ричард Фейнман разработал новый подход к квантовой механике, который назвал «суммой по историям»[16]16
  В русскоязычной литературе фейнмановская сумма по историям обычно называется «интегралом по путям» или «интегралом по траекториям», а также просто «фейнмановским интегралом» или «фейнмановской суммой». – Примеч. ред.


[Закрыть]. Подход обобщал принцип наименьшего действия Гамильтона и описывал, как обмен фотонами между электронами и другими заряженными частицами порождает электромагнитное взаимодействие. В этом процессе фотон выступает в роли частицы-посредника – существование таких частиц требуется в калибровочной теории электромагнетизма Вейля. Фейнман показал, что, в отличие от классической механики, в которой частицы движутся по единственной траектории, при описании квантовых взаимодействий необходимо учитывать все возможные траектории с весом, зависящим от их вероятности, чтобы получить итоговый результат.

Понять разницу между классической механикой и фейнмановской суммой по историям поможет следующая аналогия. Представьте себе мальчика в ботинках, идущего домой из школы. Предположим, у него на выбор есть три различных маршрута: короткий путь по песчаной тропинке, более длинный путь по грязной дорожке и еще более длинный путь по гравийной. В классической механике он выберет наиболее эффективный маршрут и испачкает ботинки песком. А теперь сравните это с квантовой версией, в которой результатом будет сумма по всем возможным траекториям. В этом случае в конце пути на его ботинках будет не только много песка, но еще и грязь и немного гравия. Это как если бы он пошел всеми тремя маршрутами сразу, но каким-то образом «большая его часть» пошла бы коротким путем.

Одной из первоначальных проблем применения метода Фейнмана стало появление нежелательных бесконечных слагаемых. Впрочем, Фейнман и независимо от него физики Джулиан Швингер и Синъитиро Томонага разработали способ, называемый «перенормировкой», который позволял сокращать эти бесконечности. Перенормировка подразумевает группировку слагаемых таким образом, чтобы положительные и отрицательные слагаемые сокращались, а итоговая сумма была конечной.

Теория Фейнмана, Швингера и Томонаги, названная квантовой электродинамикой (КЭД), позволила глубже понять взаимодействие между частицами. Хотя изначально методы были разработаны для описания электромагнитного взаимодействия, через некоторое время они были модифицированы и использованы для описания слабых и сильных ядерных взаимодействий. Это стало решающим шагом на пути к построению Стандартной модели – способа описания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий на основе единой теории.

Эйнштейн мало интересовался такими идеями. По воспоминаниям Уилера, фейнмановская идея суммирования по траекториям Эйнштейна не впечатлила. Проблема заключалась в зависимости таких сумм от вероятностей. «Я не могу поверить, что Бог играет в кости, – говорил Эйнштейн Уилеру, – но, быть может, я заслужил право на ошибку»^{193}.

В том году Шрёдингер и Энни получили ирландское гражданство. Шрёдингер был полностью доволен новой родиной, но продолжал скучать по австрийским Альпам и, конечно, по Хильде и Рут. Единственная заковыка была в том, что его покровитель не был более премьер-министром. Дэв был вынужден уйти в отставку после выборов в феврале 1948 года, когда оппозиционные партии образовали парламентскую коалицию, отстранившую либеральную партию «Фианна Файл» от власти. Смена власти продемонстрировала здоровую конкуренцию в ирландской демократии. Вскоре Ирландия будет официально признана республикой, чем она, в сущности, и была с конца 1930-х годов.

В конце 1948 года, за несколько месяцев до семидесятилетия, Эйнштейн перенес операцию на брюшной полости. Его положили в Бруклинский еврейский госпиталь в канун Нового года, прооперировали и оставили на несколько дней для реабилитации. Когда он вышел из больницы через черный ход, полчища папарацци столпились вокруг него и просили сфотографироваться. Он категорически отказался, кричал им: «Нет! Нет! Нет!»^{194} Но фотографы не оставляли его в покое, и в конце концов Эйнштейну пришлось вызвать полицию, чтобы она сопроводила его до дома.

Самым ярким событием празднования его дня рождения в том году стал визит детей, оставшихся сиротами после войны. В их числе была и его дальняя родственница, Элизабет Керзек. На тот момент ей было одиннадцать лет. Привел детей в дом Эйнштейна Уильям Розенвальд, председатель «Объединенного еврейского призыва». Розенвальд пообещал Эйнштейну, что он попытается найти новые семьи для всех детей к концу года. Сам Эйнштейн, будучи беженцем, активно содействовал поиску нового жилья и работы для перемещенных европейцев, он написал сотни писем в их поддержку-Институт перспективных исследований, возглавляемый в то время Оппенгеймером, вступившим в должность в конце Второй мировой войны, чествовал своего самого известного ученого на представительной конференции, организованной совместно с Принстонским университетом. Вейль, давно отказавшийся от попыток создания единой теории поля и занимавшийся чистой математикой, был одним из многих ученых, кому воздавали должное. Физики обнаружили, что применение калибровочной теории Вейля к миру элементарных частиц дает отличные результаты.

Бор не смог присутствовать на конференции, но прислал письменное поздравление. Он писал, что хотел бы получить удовольствие от бесед с Эйнштейном, которого рассматривал как своего рода огневое испытание для сложных аспектов квантовой физики. Он понимал, что его ответы, а также ответы других физиков на бескомпромиссно прямые вопросы Эйнштейна помогли сделать квантовую философию более строгой.

Другой оратор, ученый-физик Исидор Айзек Раби, предсказал, что действие гравитации на атомные часы будет точно измерено к восьмидесятилетию Эйнштейна. Он был не так уж далек от истины. Хотя Эйнштейн и не дожил до этого возраста, в 1959 году, когда ему исполнилось бы восемьдесят, гарвардский физик Роберт Паунд и его ученик Глен Ребка провели эксперимент, в результате которого успешно измерили гравитационное красное смещение – эффект, предсказанный общей теорией относительности, согласно которому гравитация может изменять частоту света. Это открытие стало еще одним триумфом теории Эйнштейна.

Вигнер, еще один участник конференции, тоже произнес хвалебную речь в адрес Эйнштейна. Позже он заинтересуется мысленным экспериментом с котом Шрёдингера и ЭПР-парадоксом в связи с квантовой теорией измерений. Его парадокс «друга Вигнера» обобщает парадокс кота Шрёдингера следующим образом. Представим себе друга, который открывает коробку и наблюдает за состоянием кота, но не сообщает о результатах. В данном случае, с точки зрения стороннего наблюдателя, отмечает Вигнер, друг будет находиться в смешанном квантовом состоянии шока и облегчения, пока он не передаст результат своего наблюдения. Этот мысленный эксперимент указывает на еще большее значение роли сознания в традиционной интерпретации квантовой механики.

Газеты также превозносили Эйнштейна за неустанные поиски космической истины. New York Times верно заметила, что он «будет продолжать искать до конца своих дней… всеобъемлющую теорию, которая, помимо гравитации и электромагнетизма, включила бы в себя все ядерные взаимодействия, которые удерживают Вселенную в едином фундаментальном порядке»^{195}.

К концу года Эйнштейн ощутил вкус успеха еще раз. Семидесятилетний старик все еще был способен высечь искру и зажечь воображение всего человечества. Эйнштейн снова оказался в центре внимания и оставил конкурентов позади.