Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

В 1947 году, спустя много лет после смерти Планка, семидесятидевятилетний Джеймс Франк, его ученик и коллега, вспоминал безнадежную борьбу Планка, его попытки “уйти от квантовой теории, понять, может ли он... насколько возможно уменьшить ее влияние”⁶⁵. Франку было ясно, что Планк был “революционером поневоле”, который “в конце концов пришел к выводу, что ‘сделать ничего нельзя. Нам надо жить с квантовой теорией. И, поверьте мне, она будет развиваться’”⁶⁶. Это была вполне подходящая эпитафия для упирающегося революционера.

Физикам действительно пришлось научиться “жить с квантом”. И первым это сделал совсем молодой человек, живший в Швейцарии, в Берне. Он был клерком, а не профессиональным физиком, но именно его имя Планк связывал с открытием квантования энергии. Этого клерка звали Альберт Эйнштейн.

Глава 2. “Батрак патентного бюро”

Пятница, 17 марта 1905 года, Берн. Около восьми утра перед уходом на службу молодой человек в необычном клетчатом костюме запечатал конверт. На прохожих Альберт Эйнштейн производил впечатление человека, забывшего, выходя из дома, снять старые зеленые тапочки с вышитыми цветочками¹. Шесть раз в неделю он, оставив жену и маленького сына Ганса Альберта, выходил из небольшой двухкомнатной квартиры в живописном квартале Старого города и направлялся к массивному кирпичному зданию в десяти минутах ходьбы. Мощенная камнем улица Крамгассе со знаменитой Часовой башней и аркадами с обеих сторон — одна из самых красивых в швейцарской столице. Но погруженный в свои мысли Эйнштейн шагал к главному зданию Федерального почтово-телеграфного ведомства, вряд ли замечая что-либо вокруг. Он поднимался по лестнице на третий этаж, где находилось Федеральное ведомство интеллектуальной собственности — Швейцарское бюро патентов. Здесь Эйнштейн и дюжина других технических экспертов — мужчин, одетых в более строгие темные костюмы, — по восемь часов в день занимались отделением зерна от плевел.

Тремя днями ранее Эйнштейну исполнилось двадцать шесть лет. Уже почти три года он был “батраком патентного бюро”². Служба стала для него избавлением от “надоедливого чувства голода”³. Сама работа ему нравилась: она не надоедала, требовала умения “разносторонне мыслить”, а атмосфера в конторе была дружелюбной и успокаивающей. Позже Эйнштейн говорил об этом месте как о “светском монастыре”. Хотя должность технического эксперта III класса была весьма скромной, работа хорошо оплачивалась и оставляла достаточно времени для занятий. Несмотря на бдительный надзор начальника, грозного Фридриха Галлера, в промежутках между изучением патентов Эйнштейну удавалось выкраивать время для своих расчетов, так что его рабочий стол постепенно превратился в “кабинет теоретической физики”⁴.

“Казалось, земля уходит из-под ног и нигде не видно прочной основы, на которую можно было бы опереться”, — так вспоминал Эйнштейн о том, что он почувствовал, прочтя опубликованное незадолго до того решение Планка задачи об излучении абсолютно черного тела⁵. В конверте, отправленном Эйнштейном 17 марта 1905 года редактору самого известного в мире физического журнала “Аннален дер физик”, находилась статья, суть которой была еще более радикальна, чем послужившая для нее отправной точкой идея Планка о существовании квантов. Эйнштейн знал, что его квантовая теория света — не что иное, как ересь.

Двумя месяцами позднее, в середине мая, Эйнштейн писал своему другу Конраду Габихту, что собирается сдать в печать четыре статьи, которые, как он надеется, до конца года будут опубликованы. Первая работа была посвящена квантам. Вторая — это его диссертация на степень доктора философии, в которой Эйнштейн предлагал новый способ определения размеров атомов. Третья статья объясняла природу броуновского движения — хаотического движения крошечных, похожих на цветочную пыльцу частичек, взвешенных в жидкости. О четвертой Эйнштейн писал: “Пока есть только предварительный план статьи. В ней рассматривается электродинамика движущихся тел, для построения которой требуется изменить теорию пространства и времени”⁶. Это поразительный список. В анналах науки есть лишь один ученый, которого можно сравнить с Эйнштейном в 1905 году, и только один год, когда работы этого ученого можно сравнить с работами Эйнштейна за 1905 год. Его имя — Исаак Ньютон. В 1666 году этот двадцатитрехлетний англичанин заложил основы математического анализа и теории гравитации. В это же время он начал работать над теорией света.

Вскоре имя Эйнштейна станет синонимом слова “относительность”, обозначающим теорию, общие контуры которой впервые появились в четвертой его работе 1905 года. Хотя относительность изменила представление людей о природе пространства и времени, именно развитие идеи Планка и вывод о квантовой природе света и излучения Эйнштейн называл “истинно революционными”⁷. Он считал теорию относительности просто “модификацией” представлений, уже сформулированных и обоснованных Ньютоном и многими другими учеными. А введенные им кванты света были чем-то абсолютно новым, принадлежащим только ему. Это был полный разрыв с физикой прошлого, воспринимавшийся как кощунство даже самим физиком-самоучкой.

Уже более полувека всеми было признано, что свет — это волна. В работе “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света”, Эйнштейн выдвинул идею о том, что свет состоит не из волн, а из похожих на частицы квантов. При решении задачи об абсолютно черном теле Планку против его желания пришлось предположить, что энергия поглощается или испускается дискретными порциями. Однако он, как и другие, считал, что, несмотря на то, как происходит обмен энергией между излучением и материей, само электромагнитное излучение представляет собой непрерывный волновой процесс. Революционная точка зрения Эйнштейна состояла в том, что свет, как и любое электромагнитное излучение, не похож на волну, а представляет собой набор маленьких частиц — квантов света. В следующие двадцать лет почти никто, кроме Эйнштейна, в кванты света не верил.

Эйнштейн знал, что ему предстоит нелегкая борьба. Это видно уже из того, что в названии статьи он написал: “Об одной эвристической точке зрения...”. Словарь определяет “эвристику” как “совокупность логических приемов и методических правил теоретического исследования”. Физикам предлагался метод, с помощью которого можно было объяснить остававшиеся непонятыми места в теории света, но не окончательная теория, построенная исходя из первых принципов. Статья Эйнштейна стала первой вехой на пути построения такой теории. Но и это оказалось чересчур для тех, кто совершенно не был готов отказываться от давно устоявшейся волновой теории света.

Четыре работы Эйнштейна, полученные редакцией “Аннален дер физик” между 18 марта и 30 июня 1905 года, определили направление развития физики на много лет вперед. Примечательно, что у Эйнштейна еще нашлось время написать двадцать одну книжную рецензию для этого журнала. И вдобавок в том же году им была задумана пятая работа, о которой он Габихту не сказал. Одно из уравнений в этой работе известно, вероятно, всем: E = mc². “У меня в голове бушевал ураган”, — так Эйнштейн описывал творческий порыв, охвативший его триумфальной весной и летом 1905 года в Берне, когда были написаны эти поразительные работы⁸.

Макс Планк, референт журнала “Аннален дер физик” по вопросам теории, одним из первых прочитал “К электродинамике движущихся тел”. Планк сразу оценил статью. Позднее термин “теория относительности” ввел именно он, а не Эйнштейн. Что же касается квантов света, то Планк, хотя и не был полностью согласен с этой идеей, одобрил публикацию работы. Он, по-видимому, думал, что своеобразие автора этих статей заключается как раз в том, что он способен совершить как нечто очень значительное, так и нечто абсолютно смехотворное.

“Жители Ульма — математики”, — такая присказка бытовала в Средние века в небольшом городе на берегу Дуная на юго-западе Германии. Здесь 14 марта 1879 года родился Альберт Эйнштейн, человек, имя которого станет синонимом слов “научный гений”. При рождении голова ребенка была настолько велика и деформирована, что мать волновалась: ее новорожденный сын — калека. Он так долго не говорил, что родители начали опасаться, что Альберт не заговорит вообще. Вскоре после рождения в ноябре 1881 года сестры Майи (других братьев и сестер у него не было) Эйнштейн приобрел довольно странную привычку: он тихонько повторял каждое предложение, которое хотел сказать, до тех пор, пока ему не удавалось сделать это хорошо, и только затем произносил его вслух. Говорить нормально мальчик, к большому облегчению его родителей Германа и Паулины, начал лишь в семилетием возрасте. К этому времени семья уже шесть лет жила в Мюнхене, где отец Эйнштейна и его дядя Якоб открыли электромеханическую мастерскую.