Камень, ножницы, теорема. Фон Нейман. Теория игр
Шрифт:
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
С самого зарождения физика была экспериментальной наукой.
Физическая теория часто рождается в результате опыта и подтверждается другим опытом. В промежутке строятся рабочие гипотезы, даются определения терминам и выводятся формулы — в этом случае физика активно сотрудничает с математикой. Создание формул крайне важно, так как в числе прочего в них заложен большой потенциал предвидения и обобщения, что является следствием абстрактного характера математики.
Если у нас есть сосуд с жидкостью, характеристики которой нам известны, и у сосуда есть слив, то мы можем измерить время, за которое вся жидкость вытечет. Имея в распоряжении подходящую физическую теорию, построенную на законах вытекания жидкости из сосуда (что обязательно подразумевает
Гораздо легче лететь на самолете или даже управлять им, чем понять, почему он движется.
Джон фон Нейман
Тесная связь математики и физики существовала не всегда. Как правило, эти науки шли разными путями, хотя в итоге всегда стремились друг к другу. Рано или поздно физика должна была прибегнуть к помощи математики, чтобы оформиться как точная наука. Появление в начале XX века новых теорий, таких как теория относительности и квантовая механика, требовало развития и новой математики, приспособленной к новым парадигмам. Так теоретическая или, как ее еще называют, математическая физика стала выходить на первый план, и благоприятные условия для этого создал Давид Гильберт в Гёттингенском университете.
ДВЕ ВОЛНОВЫЕ ТЕОРИИ
В какой-то момент ньютонова физика уже не могла объяснить накопившиеся экспериментальные данные. Главные сложности возникли с двумя явлениями. Первым было излучение черного тела, которому никак не удавалось найти удовлетворительного объяснения. Второе касалось электрона, вращавшегося по орбите вокруг ядра: теоретически он должен был постепенно терять энергию и упасть на ядро, но этого не происходило. Помимо этого, по результатам некоторых экспериментов природа частиц оказывалась двойственной — они вели себя как волны и корпускулы одновременно. То же самое получалось и в некоторых экспериментах с фотонами. Например, при фотоэффекте они вели себя как частицы, а в эксперименте с двойной щелью проявляли волновую природу. Тогда появились две теории, объясняющие эти явления. Первая принадлежит Вернеру Гейзенбергу (1901-1976), вторая — Эрвину Шрё- дингеру (1887-1961). Механика Гейзенберга была матричной, механика Шрёдингера — волновой, и, разумеется, для них требовались разные математические инструменты. По схеме Шрёдингера волновое уравнение, описывающее частицу, было дифференциальным, а его решение для электрона атома водорода совпадало с результатом, полученным опытным путем.
Все эти исследования проходили в Гёттингенском университете в 1925-1926 годах. Необходимо было как можно скорее найти математический инструмент, пригодный для использования в рамках обеих теорий. Как это часто происходило в истории науки, именно математический, сугубо абстрактный подход, не имевший ничего общего с конкретной физической реальностью, стал прекрасной основой для двух разных теорий. Их объединила теория функциональных полей Давида Гильберта. Однако это объединение в более широком смысле могло произойти только при наличии абстрактной системы аксиом, способной совместить оба подхода.
АКСИОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИКИ
Можно ли аксиоматизировать физику? Этот вопрос стоит на шестом месте в знаменитом списке 23 задач Гильберта, представленном на Международном математическом конгрессе в Париже. В оригинальном тексте доклада ученый писал:
«...[изучение основ] физических наук, в том числе математики, имеет важное значение; в первую очередь речь идет о теории вероятностей и механике».
Аксиоматику теории вероятностей впервые установил советский математик Андрей Николаевич Колмогоров в 1933 году.
В области физики многие ученые, среди которых был и фон Нейман, достигли больших успехов, но они сомневались в возможности найти окончательное решение: результаты опытов были невероятно сложными и могли разрушить устойчивость системы аксиом. Таким образом, этот вопрос из списка 23 задач до сих пор остается открытым.
АКСИОМАТИКА ФОН НЕЙМАНА
Фон Нейман аксиоматизировал квантовую механику таким образом, что параметры, определяющие положение
частицы, могли быть установлены при помощи пяти аксиом, сформулированных для гильбертова пространства. Математические формулировки были достаточно абстрактны, чтобы оставаться полностью отделенными от экспериментальной физики. Эти результаты были изложены в различных статьях в журнале Mathematische Annalen («Математические анналы») в 1929— 1930 годах.Фон Нейман занимался еще одной проблемой, которая не давала покоя физикам и решение которой стало бы большим прогрессом в теории меры. В большинстве физических опытов всегда проводится некое измерение, и — каким бы точным ни был используемый инструмент — ошибка неизбежна. Поэтому важно знать, насколько велика эта ошибка, хотя бы приблизительно. В классической физике теория ошибок была достаточно развита и позволяла установить, насколько результаты эксперимента заслуживают доверия.
Но в рамках квантовой физики появилось новое понятие ошибки, для которого были неприменимы прежние теории.
ДАВИД ГИЛЬБЕРТ
Немецкий математик Давид Гильберт родился 23 января 1862 года в Кёнигсберге (сегодня Калининград, Россия), столице Восточной Пруссии. Его отца, государственного чиновника, направили в этот город на работу в качестве судьи. Обстановка, в которой рос Гильберт, была чрезвычайно благоприятной для интеллектуального развития мальчика, преимущественно благодаря его матери, невероятно образованной женщине, любившей философию, астрономию и математику. В 18 лет, окончив школу, Гильберт начал изучать математику в Кёнигсбергском университете. Среди его прекрасных учителей были такие ученые, как Генрих Вебер и Фердинанд фон Линдеман. В этот период Гильберт впервые занялся теорией инвариантов и познакомился с математиком Германом Минковским (1864-1909), дружбу с которым сохранил на протяжении всей жизни. В 1892 году Гильберт получил место экстраординарного профессора в университете Кёнигсберга. Эта должность не только была престижной, но и давала ему финансовое положение, необходимое для создания семьи. В том же году Гильберт женился на Кете Ерош. Одним из поворотных моментов в его карьере было предложение Феликса Клейна (пошедшего наперекор мнению большинства преподавателей) стать ординарным профессором Гёттингенского университета в 1895 году. В конце весны 1920 года состояние Г ильберта, страдавшего анемией, серьезно ухудшилось. В то время анемия была сложной болезнью, от которой не существовало эффективных лекарств.
Несмотря на тяжелые физические и душевные испытания, ученый нашел силы для того, чтобы полностью посвятить себя изучению основ математики. К счастью, в 1927 году появился новый препарат от анемии, и Гильберт принимал его в числе первых пациентов, что, возможно, спасло ему жизнь.
Последние десять лет ученый провел в изоляции из-за политики нацистской Германии. Гильберт умер 14 февраля 1943 года в Гёттингене. На похороны пришли всего несколько человек. Среди них были его жена, к тому времени полуслепая, и физик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), которому с трудом удалось приехать из Мюнхена.
Портрет Давида Гильберта в последние годы жизни.
Точные измерения здесь получить невозможно, самое большее — можно надеяться на статистические результаты. Объект измерения (например, атом или электрон) в квантовой физике имеет микроскопический размер, и на него оказывает воздействие сам инструмент измерения.
Представим, что мы хотим с помощью линейки определить положение коробка спичек, лежащего на столе, по отношению к его краям, и каждый раз ненамеренно сдвигаем его. Нечто похожее происходит в квантовой физике. Система аксиом, созданная фон Нейманом, позволяла описать процесс наблюдения и наблюдаемый объект как логические элементы, которые можно рассмотреть в ее рамках. Ему в голову пришла блестящая идея: принять, что наблюдение происходит не в течение определенного промежутка времени, а в одно мгновение, то есть имеет вневременной характер. Эти результаты фон Нейман изложил в одной из своих самых известных книг — Mathematische Grundlangen der Quantenmechanik («Математические основы квантовой механики»), опубликованной в Берлине в 1932 году. В 1936 году он совместно с американским математиком Гарретом Биркгофом (1911-1996) дополнил работу подробным исследованием квантовой механики с точки зрения логики.