Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная - Уолтер Айзексон

Еще один шаг неожиданно был сделан, казалось бы, совершенно непригодным для этой цели игроком – австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером. Потеряв надежду создать нечто действительно важное, он принял решение стать философом. Однако, по-видимому, число австрийских философов было уже достаточно велико, и работу в этой области ему найти не удалось. Поэтому Шредингер продолжил занятия физикой и, воодушевленный одобрительными отзывами Эйнштейна о де Бройле, предложил теорию, названную “волновой механикой”. Эта теория приводит к системе уравнений, описывающих волновое поведение электронов де Бройля. Шредингер говорил о “волнах Эйнштейна – де Бройля”, разделив славу, как ему казалось правильным, пополам54.

Сначала Эйнштейн встретил работу Шредингера с энтузиазмом, но затем его стали тревожить последствия, к которым могли привести волны Шредингера. Самым важным было то, что со временем такая волна должна была охватить гигантскую область пространства. Эйнштейн полагал, что на самом деле электрон такой волной быть не может. Так чему же в реальном мире соответствует волновое уравнение?

Человеком, который помог ответить на этот вопрос, был Макс Борн, близкий друг и постоянный корреспондент Эйнштейна (как и его жена Хедвига), преподававший тогда в Геттингене. Согласно Борну, волна описывает не поведение частицы, а вероятность найти ее в данной точке пространства в произвольный момент времени55. Это утверждение еще определеннее, чем думали раньше, указывало, что в основании квантовой механики лежит именно случай, а не обусловленная причинностью достоверность. И это ставило Эйнштейна в еще более щекотливое положение56.

Тем временем летом 1925 года другой подход к квантовой механике предложил молодой энтузиаст с горящими глазами, любитель пеших походов Вернер Гейзенберг. Получив стипендию, он работал под руководством Нильса Бора в Копенгагене, а затем вернулся в Геттинген к Максу Борну. Как и молодой радикал Эйнштейн, Гейзенберг начал с того, что в своих рассуждениях последовал за таким авторитетом, как Эрнст Мах. Он исходил из того, что при построении теории нельзя использовать величины и понятия, недоступные наблюдению, измерению или проверке. Для Гейзенберга это означало, что следует отказаться от представления об орбитах электронов, поскольку наблюдать их нельзя.

Вместо этого он доверился математическому аппарату, использующему только те величины, которые можно наблюдать, – длины волн спектральных линий излучения теряющих энергию электронов. Результат был так сложен, что Гейзенберг, вручив написанную им статью Борну, отправился с группой молодежи, которую сам и возглавил, в поход. Он надеялся, что учитель сам во всем разберется. И Борн это сделал. Гейзенберг использовал математические объекты, называемые матрицами. Разобравшись в этом, Борн помог подготовить и опубликовать статью57. Вместе с Борном и другими геттингенцами Гейзенберг продолжил совершенствовать матричную механику, а позднее было показано, что она эквивалентна волновой механике Шредингера.

Эйнштейн вежливо написал жене Борна Хедвиге: “От идей Гейзенберга – Борна перехватывает дыхание”. Эти тщательно подобранные слова можно прочесть по-разному. В письме Эренфесту в Лейден Эйнштейн был более прямолинеен. “Гейзенберг снес большое квантовое яйцо, – написал он. – Они там, в Геттингене, этому верят. Я нет”58.

Еще более известный и еще более взрывоопасный результат Гейзенберг получил двумя годами позже, в 1927 году. Это принцип неопределенности. Для широкой публики он представляется одной из наиболее известных и загадочных составляющих квантовой механики.

Невозможно, утверждал Гейзенберг, знать одновременно точное значение координаты частицы, такой как движущийся электрон, и точное значение ее импульса. (Импульс равен массе частицы, помноженной на ее скорость.) Чем точнее измеряется координата частицы, тем меньше точность, с которой можно измерить ее импульс. И в формулу, определяющую возможный компромисс, входит (что неудивительно) постоянная Планка.

Сам акт наблюдения, то есть процесс, при котором фотоны, электроны, любые другие частицы или волны энергии взаимодействуют с объектом, влияет на результат наблюдения. Но Гейзенберг пошел еще дальше. У электрона нет определенной координаты или траектории до тех пор, пока мы его не наблюдаем. Это свойство нашей Вселенной, а не просто недостаток, присущий наблюдению, или дефект измерительной аппаратуры.

Принцип неопределенности, такой простой, но тем не менее такой удивительный, был осиновым колом, вбитым в сердце классической физики. Этот принцип утверждает: за пределами наших наблюдений объективной реальности нет, у частицы даже нет независимой от наблюдения координаты. Кроме того, принцип Гейзенберга и другие положения квантовой механики подрывают веру в строгое выполнение во вселенной принципа причинности. Когда Эйнштейн написал, что у него есть возражения по этому поводу, Гейзенберг резко ответил: “Я верю, что индетерминизм, то есть отказ от неукоснительного требования причинности, необходим”59.

Когда в 1926 году Гейзенберг приехал в Берлин прочесть лекцию, он впервые встретился с Эйнштейном. В один из вечеров Эйнштейн пригласил его к себе домой, где они вполне по-дружески продолжили свой спор. Это было зеркальное отражение тех споров, которые Эйнштейн в 1905 году мог бы вести с консерваторами, у которых вызывало сопротивление отрицание эфира.

“Мы не можем наблюдать орбиты электронов внутри атомов, – говорил Гейзенберг, – а правильная теория должна строиться непосредственно на наблюдаемых величинах”.

“Но не верите же вы серьезно, – протестовал Эйнштейн, – что ничто, кроме наблюдаемых величин, не должно входить в физическую теорию?”

“Но ведь именно это вы сделали в теории относительности?” – спросил слегка удивленный Гейзенберг.

“Возможно, я и использовал подобные рассуждения, – заметил Эйнштейн, – но это все равно чепуха”60.

Иными словами, взгляды Эйнштейна эволюционировали.

Похожий разговор состоялся у Эйнштейна с его другом Филиппом Франком в Праге. “В физике появилась новая мода”, – жаловался Эйнштейн. Согласно этой моде определенные величины наблюдать нельзя, а поэтому их нельзя считать реальными.

“Но эту моду, – запротестовал Франк, – ввели именно вы в 1905 году!”

Ответ Эйнштейна: “Хорошую шутку не надо повторять слишком часто”61.

В середине 1920-х годов достижения теоретиков – Нильса Бора и его коллег, включая Гейзенберга, – послужили основой того, что позднее было названо копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Свойство тела можно рассматривать только в контексте того, каким образом это свойство наблюдается или измеряется. Разного рода измерения не просто представляют собой один из возможных вариантов описаний единой картины, а являются дополнительными по отношению друг к другу.