Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная - Уолтер Айзексон

При переходе с одной орбиты на другую электрон совершает квантовый скачок. Другими словами, это отдельный, проходящий с нарушением непрерывности переход с одного уровня на другой без возможности отклониться и оказаться где-то между уровнями. Бору удалось показать, что его модель объясняет положение спектральных линий излучения атома водорода.

Услышав об этой теории, Эйнштейн пришел в восхищение, но он и несколько завидовал Бору. Один ученый описывал это Резерфорду так: “Он сказал мне, что однажды нечто подобное приходило и ему в голову, но он не осмелился это опубликовать”. Позднее Эйнштейн объявил, что “открытие Бора – музыка высших сфер в области мысли”32.

Основываясь на модели Бора, Эйнштейн в 1916 году написал серию статей, наиболее существенная из которых, “К квантовой теории излучения”, вышла из печати в 1917 году33.

Эйнштейн начал с мысленного эксперимента. Он представил себе камеру, в которой есть облако атомов, омываемых светом (или каким-либо другим электромагнитным излучением). Затем Эйнштейн комбинирует модель атома Бора с теорией квантов Макса Планка. Если каждое изменение электронной орбиты соответствует поглощению или испусканию одного кванта света, то – престо! – отсюда следует новый, более простой способ для получения формулы Планка, объясняющей закон излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн хвастал Мишелю Бессо: “Меня осенила блестящая идея относительно поглощения и испускания излучения. Она заинтересует тебя. Удивительно простой вывод, я бы сказал, именно вывод формулы Планка. Абсолютно квантовая история”34.

Атомы спонтанно испускают излучение. Но, предполагает Эйнштейн, этот процесс можно стимулировать. Упрощенно это можно себе представить так: предположим, что атом, поглотив фотон, уже оказался в состоянии с более высокой энергией. Если теперь его возбудить с помощью другого фотона определенной длины волны, это может привести к испусканию двух фотонов одной и той же длины волны и одинаковой поляризации.

Открытие Эйнштейна было несколько сложнее. Предположим, имеется газ атомов, в который накачивается энергия, скажем, с помощью электрических импульсов или света. Энергия будет поглощаться большим числом атомов, которые переходят в состояния с более высокой энергией и начинают испускать фотоны. Эйнштейн утверждал, что присутствие облака фотонов делает более вероятным испускание фотона той же длины волны и того же направления, что и другие фотоны облака35. Прошло почти сорок лет, и на основе этого процесса, названного вынужденной эмиссией, были изобретены лазеры. Это название составлено из первых букв английских слов light amplification by the stimulated emission of radiation – “усиление света путем вынужденной эмиссии излучения”.

Один из выводов квантовой теории излучения Эйнштейна приводил к странному результату. “Можно убедительно показать, – рассказывал он Бессо, – что элементарные акты испускания и поглощения – это направленные процессы”36. Иначе говоря, когда фотон вырывается из атома, он не может (как это должно было бы происходить в классической волновой теории) сделать это сразу во всех направлениях. Наоборот, фотон обладает импульсом. Другими словами, уравнения Эйнштейна работают, только если каждый квант излучения испускается в определенном направлении.

Само по себе это не столь уж важно, но есть одно затруднение: невозможно определить, в каком именно направлении будет двигаться испущенный фотон. Кроме того, невозможно определить, в какой момент это произойдет. Если атом находится в состоянии с более высокой энергией, можно вычислить только вероятность того, что в определенный момент он испустит фотон. Однако ни время испускания фотона, ни направление его движения точно определить невозможно. Неважно, какой информацией вы обладаете. Как при игре в кости, все отдано на откуп случаю.

Проблема была именно в этом. Возникала угроза строгому детерминизму механики Ньютона, под сомнение ставилась достоверность классической физики, подрывалась вера в то, что, зная все координаты и скорости частиц системы, мы можем определить ее будущее. Теория относительности могла казаться радикальной, но она по крайней мере оставляла в неприкосновенности строгое выполнение принципа причинности. Но причудливое и непредсказуемое поведение беспокойных квантов вмешивалось в причинные связи.

“Слабость теории в том, – признавался Эйнштейн, – что время и направление случайного процесса она отдает на волю “случая””. Концепция случайности, случая – он употреблял немецкое слово Zufall – приводила его в замешательство, казалась настолько странной, что само это слово он взял в кавычки, как если бы хотел отстраниться от него37.

Для Эйнштейна и, несомненно, для большинства старых, “классических” физиков сама идея о том, что Вселенная может основываться на случайности – событие происходит беспричинно, – не только вызывала дискомфорт, но и подрывало все здание физики. Действительно, Эйнштейн с этим никогда не мог смириться. “Вопрос о принципе причинности изводит меня, – писал он Максу Борну в 1920 году. – Удастся ли когда-нибудь понять поглощение и испускание света, подобное квантовому, с учетом детального выполнения принципа причинности?”38

Всю оставшуюся жизнь Эйнштейн отказывался признавать, что в квантовом мире законами природы управляют вероятности и неопределенности. “Предположение, что электрон, которому предстоит быть излученным, должен самостоятельно, по собственной воле выбирать не только момент скачка, но и его направление, я нахожу абсолютно недопустимым, – доведенный до отчаяния, жаловался он Борну через несколько лет. – Если это так, я предпочел бы быть сапожником или крупье в казино, но не физиком”39.

С философской точки зрения реакция Эйнштейна представляется зеркальным отражением позиции антирелятивистов, истолковывавших (или ошибочно истолковывавших) его теорию относительности как провозвестницу конца определенности и абсолюта в природе. В действительности сам Эйнштейн полагал, что теория относительности приводит к более глубокому пониманию определенности и абсолюта (того, что он назвал инвариантностью), основанному на объединении пространства и времени в одну четырехмерную структуру. Напротив, квантовая механика строилась исходя из неопределенности, лежащей в основании природы, где события могут описываться только в терминах вероятностей.

Нильс Бор, который стал главой квантово-механического движения со штаб-квартирой в Копенгагене, впервые встретился с Эйнштейном в 1920 году, когда приезжал в Берлин. Он появился в квартире Эйнштейна вместе с датским сыром и маслом и очень быстро перешел к обсуждению роли случая и вероятности в квантовой механике. Эйнштейн выразил озабоченность в связи с “отказом от непрерывности и принципа причинности”. Бор был смелее, ступив на эту зыбкую почву. В свете известных фактов, возразил он Эйнштейну, “единственная оставшаяся возможность” – отказ от строгого соблюдения принципа причинности.