На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы - Давид Бланко Ласерна

Мой молодой друг, вам еще многое предстоит выучить в физике... Поэтому устраивайтесь поудобней.

Замечание Вильгельма Вина, адресованное Гейзенбергу во время семинара в Мюнхене в 1926 году

Однако, несмотря на такое сближение волновой и матричной механики, красноречивый Шрёдингер критически отзывался о детище Гейзенберга: «Моя теория вдохновлена работой Луи де Бройля и некоторыми замечаниями Альберта Эйнштейна. Я не вижу в ней никакой связи с представлениями Гейзенберга. Конечно, я знал о его теории, однако меня отпугивали, если не сказать отталкивали, казавшиеся мне очень трудными методы трансцендентной алгебры и отсутствие всякой наглядности». Это замечание оскорбило Гейзенберга, однако он промолчал и лишь наедине с Паули дал выход своим чувствам: «Чем больше я размышляю о физической части теории Шрёдингера, тем ужаснее она мне кажется». Из справедливости как матричного, так и аналитического подхода следовало, что математические основы квантовой механики были сформулированы. Однако науку ожидало решающее сражение относительно окончательной интерпретации теории.

Именно в Мюнхене 21 июля 1926 года состоялась первая дискуссия: Шрёдингер принял приглашение Зоммерфельда и Вильяма Вина и приехал, чтобы провести два семинара по своей новой волновой механике. Гейзенберг в это время находился у родителей в этом же городе и специально пришел послушать доклад коллеги. Когда начались прения, он заметил, что вследствие толкования Шрёдингера совершенно невозможно объяснить закон излучения Планка. Шрёдингер не нашел, что ответить, однако тут вмешался Вильгельм Вин, также присутствовавший на прениях. Он довольно резко заявил, что теперь с квантовым скачком покончено и что упомянутые Гейзенбергом трудности будут преодолены в ближайшем будущем.

Гейзенберг кипел от возмущения. Он попробовал продолжить спор, но Вин, который испытывал к молодому ученому некоторую неприязнь, едва не попросил его покинуть аудиторию. Гейзенберга оскорбила не только эта грубость, позже он говорил: «Шрёдингер просто выбрасывает за борт все квантово-теоретическое, то есть фотоэлектронный эффект, ионизационные толчки Франка, опыты Штерна, Герлаха и так далее. Не очень сложно построить теорию таким способом». Немного успокоившись, в этот же вечер Вернер встретился со своими наставниками, Борном и Бором, и обсудил ситуацию. А чуть позже Шрёдингер получил от Бора приглашение посетить в октябре Копенгаген, чтобы спокойно обсудить интерпретацию квантовой теории. Гейзенберг так вспоминал об этой встрече:

«Дискуссия между Бором и Шрёдингером началась прямо на вокзале в Копенгагене и продолжалась с раннего утра до поздней ночи каждый день. Шрёдингер остановился в доме Бора, так что никакие посторонние обстоятельства не мешали их разговорам. И хотя Бор в общении с людьми был всегда предупредителен и любезен, теперь он казался мне чуть ли не фанатиком, не идущим ни на какие уступки своему собеседнику и не прощающим ему малейшей неточности».

Непреклонный датчанин отметал все аргументы, сразу замечал уязвимые места в возражениях оппонента. Через эту экзекуцию прошел каждый довод Шрёдингера, а позднее — каждое наблюдение Эйнштейна. Однажды, почти в отчаянии, Шрёдингер воскликнул: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с атомной теорией!» Словом, Бор все эти дни, не снимая с лица любезной улыбки, безжалостно терзал гостя:

«Через несколько дней Шрёдингер заболел — вероятно, вследствие чрезмерного перенапряжения. Он слег с простудой. Госпожа Бор ухаживала за ним, приносила ему чай с пирожными, а Нильс Бор сидел на краешке кровати и внушал Шрёдингеру: «Но вы же должны признать, что...»

При всем проявленном рвении Бор признавал вклад, сделанный Шрёдингером: «Ваша волновая механика принесла с собой такую математическую ясность и простоту, что явилась гигантским шагом вперед». Инструмент, предложенный Шрёдингером, также был бесценным, но он не соответствовал прилагаемой инструкции. Даже Гейзенберг оценил волновое уравнение по достоинству. Победив лихорадку и вернувшись из Копенгагена живым и здоровым, Шрёдингер надолго запомнил дар убеждения, присущий Бору. Он даже признался Вину: «Довольно скоро наступает момент, когда ты уже не понимаешь, должен ты принять позицию атакующего или сам атаковать ее». Словом, поездка в Копенгаген стала для Шрёдингера «действительно незабываемым опытом».

Гейзенберг все это время находился на втором плане. Поприсутствовав на поединке Бора и Шрёдингера, он перевернул страницу квантовой теории — эту главу он считал завершенной, а споры относительно нее — бесцельными.

Осознавая последствия своей интерпретации волновой функции, Макс Борн принял рискованное решение: «Я готов отказаться от детерминизма ради атомного плана».

В 1927 году Гейзенберг предоставляет для такого отказа весомые аргументы и четко определяет границы детерминизма относительно квантовой физики. Своими мыслями он делится с Паули, написав тому письмо на десять с лишним страниц, которое впоследствии послужит основой для статьи «О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики». В работе была освещена статистическая интерпретация функции |ψ|², а ее публикация в марте этого же года ознаменовала конец эпохи классической механики. Кроме того, работа вводила в физику новое уравнение, которое станет таким же известным, как уравнение Шрёдингера.

Динамика Ньютона основывалась на следующих постулатах: расположение и скорость тела в любой момент могут быть определены с произвольной точностью. Теоретически траектория определяется решением дифференциального уравнения, а на практике достаточно определить время и положение объекта. Но для этого необходимо проследить за его движением. Это условие не создает трудностей, когда речь идет о мяче или космическом корабле. Но как увидеть электрон? Для начала его необходимо осветить. Однако осветить частицу — не то же самое, что осветить мяч. В случае с мячом существует значительное отличие в масштабах между размером структуры, которую рассматривают (мяч), и тем, что его освещает (фотон). А элементарная частица и фотон — это два квантовых объекта, которые вступают между собой во взаимодействие.

Мы можем проследить за траекторией мяча на теннисном корте. При этом свет воздействует на электроны, в изобилии встречающиеся в пространстве (затем эти электроны возвращаются на уровни с более низкой энергией и излучают фотоны, которые улавливаются клетками нашей сетчатки), но не смещает мяч с его траектории. Как мы видели в главе 1, Эйнштейн пришел к выводу, что фотоны должны себя вести как частицы. Затем Комптон доказал в лаборатории, что светящиеся кванты заставляют электроны изменить траекторию, словно при столкновении бильярдных шаров. Таким образом, простая попытка осветить частицу вызывает ее смещение относительно положения, которое мы хотели зафиксировать. Можно ли узнать, где находилась частица до того, как ее траектория была изменена? Нет. Единственный способ узнать положение частицы — это зафиксировать его, при этом сам факт наблюдения влечет изменение этого положения. Представим, что теннисный мяч, получив импульс от ракетки, меняет свою траекторию при каждом столкновении с фотоном. В этом случае было бы практически невозможно воспроизвести подобную хаотичную траекторию. Именно это и происходит на уровне атомов.