По ту сторону кванта

История создания квантовой механики сохранила для нас несколько живых воспоминаний, которые помогают представить ту обстановку напряжения и подъёма, в которой люди разных национальностей, возрастов и темпераментов всего за три года построили современное здание квантовой механики.

Быть может, всё началось с того, что в конце мая 1925 года Вернер Гейзенберг заболел сенной лихорадкой и по совету своего тогдашнего руководителя Макса Борна уехал отдыхать на остров Гельголанд в Балтийском море. Там у него было время проделать подробные вычисления, без которых не удавалось разрешить давно мучившую его идею. Уже 5 июня, по возвращении из отпуска, он написал о своих вычислениях Кронигу, а 24 июня — подробное письмо Паули, в котором содержалось начало будущей матричной механики. Правда, математическая культура Гейзенберга уступала глубине его физических идей: он не знал даже, что величины, которые он тогда ввёл, в математике уже давно известны под названием матриц. Поэтому сформулировать теорию Гейзенберга математически строго удалось лишь с помощью Макса Борна и совсем молодого тогда Паскуаля Иордана. Уже в июле они завершили в Гёттингене построение матричной механики.

Независимо от них в Кембридже ту же задачу решил Поль Дирак, который летом 1925 года на семинаре у Петра Леонидовича Капицы слушал доклад Гейзенберга, посетившего Англию вскоре после выздоровления.

С помощью этой новой математики осенью того же года Вольфганг Паули нашёл уровни энергии атома водорода и доказал, что они совпадают с уровнями атома Бора.

В то же лето Гаудсмит и Уленбек предложили гипотезу о спине электрона, Луи де Бройль окончательно разработал идею о волнах материи, а Эльзассер и Эйнштейн посоветовали объяснить с помощью этих теорий эксперименты Дэвиссона и Кенсмена по отражению электронных пучков от поверхности металлов.

Волновая механика родилась год спустя, весной 1926 года. Её встретили недоверчиво, поскольку в ней явно отсутствовали квантовые скачки — то, к чему лишь недавно и с большим трудом привыкли и что считалось главной особенностью атомных явлений.

В июне 1926 года Гейзенберг приехал в Мюнхен навестить родителей и «…пришёл в совершенное отчаяние», услышав на одном из семинаров доклад Эрвина Шрёдингера и его интерпретацию квантовой механики.

Споры о волновой механике продолжались часами и днями и достигли предельной остроты в сентябре 1926 года, когда Шрёдингер приехал по приглашению Бора в Копенгаген.

Шрёдингер настолько устал от дискуссий, что даже заболел и несколько дней провёл в доме Бора, который в течение всей болезни гостя почти не отходил от его постели.

Время от времени, характерным жестом подняв палец, Нильс Бор повторял:

— Но, Шрёдингер, вы всё-таки должны согласиться…

Однажды почти в отчаянии Шрёдингер воскликнул:

— Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с атомной теорией!

— Зато остальные весьма признательны вам за это, — ответил ему Бор.

С течением времени точки зрения сторонников матричной и волновой механик сближались. Сам Шрёдингер доказал их математическую эквивалентность, а Макс Борн летом 1926 года догадался, какой физический смысл следует приписать – функции Шрёдингера.

Опыты по дифракции электронов, ставшие известными осенью 1926 года, сильно укрепили веру в теории де Бройля и Шрёдингера. Постепенно физики поняли, что дуализм «волна-частица» — это экспериментальный факт, который следует принять без обсуждений и положить его в основу всех теоретических построений.

Теперь учёные старались понять, к каким следствиям приводит этот факт и какие ограничения он накладывает на представления об атомных процессах. При этом они сталкивались с десятками парадоксов, понять смысл которых зачастую не удавалось.

В ту осень 1926 года Гейзенберг жил в мансарде физического института в Копенгагене. По вечерам к нему наверх поднимался Бор, и начинались дискуссии, которые часто затягивались за полночь.

«Иногда они заканчивались полным отчаянием из-за непонятности квантовой теории уже в квартире Бора за стаканом портвейна, — вспоминал Гейзенберг. — Однажды после одной такой дискуссии я, глубоко обеспокоенный, спустился в расположенный за институтом Фэллед-парк, чтобы прогуляться на свежем воздухе и немного успокоиться перед сном. Во время этой прогулки под усеянным звёздами ночным небом у меня мелькнула мысль, не следует ли постулировать, что природа допускает существование только таких экспериментальных ситуаций, в которых… нельзя одновременно определить место и скорость частицы».

В этой мысли — зародыш будущего соотношения неопределённостей.

Быть может, чтобы снять напряжение этих дней, в конце февраля 1927 года Нильс Бор уехал в Норвегию отдохнуть и походить на лыжах. Оставшись один, Гейзенберг продолжал напряжённо думать. В частности, его очень занимал давний вопрос товарища по учёбе, сына известного физика Друде: «Почему нельзя наблюдать орбиту электрона в атоме при помощи лучей с очень короткой длиной волны, например гамма-лучей?»

Обсуждение этого эксперимента довольно быстро привело его к соотношению неопределённостей, и уже 23 февраля он написал об этом Паули письмо на 14 страницах.

Через несколько дней возвратился из отпуска Бор с готовой идеей дополнительности, которую он окончательно продумал в Норвегии.

Ещё через несколько недель напряжённых дискуссий с участием Оскара Клейна все пришли к выводу, что соотношение неопределённостей — это частный случай принципа дополнительности, для которого возможна количественная запись на языке формул.

В последующие месяцы интерпретация математического формализма квантовой механики дополнялась и уточнялась и окончательно утвердилась в Брюсселе на Сольвеевском конгрессе осенью 1927 года. На этот конгресс собрались Планк, Эйнштейн, Лоренц, Бор, де Бройль, Борн, Шрёдингер, а из молодых — Гейзенберг, Паули, Дирак, Крамерс. Это была самая суровая проверка всех положений квантовой механики. Она её с честью выдержала и с тех пор почти не претерпела никаких изменений.

В те годы в Копенгагене, в институте Бора, была создана не только наука об атоме — там выросла интернациональная семья молодых физиков. Среди них были Гейзенберг, Паули, Крамерс, Гамов, Ландау, Гаудсмит и многие другие. Беспримерное в истории науки содружество учёных отличали бескомпромиссное стремление к истине, искреннее восхищение перед величием задач, которые им предстояло решить, и неистребимое чувство юмора, которое так гармонировало с общим духом интеллектуального благородства: «Есть вещи настолько серьёзные, что о них можно говорить лишь шутя», — любил повторять Нильс Бор. который стал их учителем и духовным отцом.

Через много лет политические бури разбросают их по всему миру: Гейзенберг станет главой немецкого «уранового проекта»; Нильс Бор, спасаясь от нацистов, окажется в американском центре атомных исследований в Лос-Аламосе, а Гаудсмита назначат руководителем миссии «Алсос», которая будет призвана выяснить, что успел сделать Гейзенберг для постройки немецкой атомной бомбы.

Сейчас этих людей осталось совсем немного, и вместе с ними из жизни уходит целая эпоха в физике, которую можно сравнить лишь с эпохами Галилея и Ньютона.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

Что такое квантовая механика? — Что такое атом? — Физическая реальность

Нильс Бор, объясняя на примерах свой принцип дополнительности, любил вспоминать известную шутку Бернарда Шоу:

«Хороший специалист — это тот, кто знает много о немногом. Хороший журналист — тот, кто знает понемногу о многом. В пределе: самый хороший специалист знает всё ни о чём; наилучший журналист знает ничего обо всём».