Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства - Леонард Млодинов

В поры моего студенчества мы с друзьями боготворили многих физиков. Эйнштейна – за его непрошибаемую логику и радикальные мысли. Фейнмана и британского физика Поля Дирака (1902–1984) – за изобретение с виду противозаконных математических понятий и получение с их помощью потрясающих результатов. (Математики позднее все же совладают с ними и теоретически.) А Бора – за его чутье. Мы думали о них как о героях, сверхчеловеческих гениях, чье мышление всегда было ясным, а видение – верным. Ничего необычного в этом нет, думаю: все художники, предприниматели и фанаты спорта могут назвать людей, которых считают исполинами.

Когда я был студентом, нам говорили, до чего могучим было чутье Бора в квантовой физике – словно «прямая линия с Богом». Обсуждение рассвета квантовой теории часто включает великие прозрения Бора, однако редко поминаются его многочисленные заблуждения. Это естественно: выживают лишь дельные соображения, а ошибочные забываются. Увы, у нас при этом складывается ложное впечатление, что наука гораздо прямее и проще – по крайней мере, для некоторых «гениев», – чем она есть на самом деле.

Великий баскетболист Майкл Джордан однажды сказал: «Я за свою карьеру пропустил больше девяти тысяч мячей. Проиграл почти триста игр. Двадцать шесть раз мне доверили решающий бросок, и я его запорол. Я ошибался и проигрывал, ошибался и проигрывал. И потому преуспел»[372]. Он произнес это в рекламе «Найки», поскольку знать, что даже легенды проигрывают, но продолжают свое дело невзирая на неудачи, – штука вдохновляющая. Но в поле первооткрывательства и нововведений столь же ценно знать о заблуждениях Бора или о бесплодных попытках Ньютона в алхимии, чтобы признать: наши интеллектуальные идолы тоже приходили к ложным выводам, и неудачи их столь же громадны, как и те, что случаются с нами.

Бор, похоже, считал свою модель атома слишком радикальной, и это, да, интересно, но неудивительно: в науке, как и в обществе, все строится на определенных общих представлениях и верованиях, и Боровская модель в них не встраивалась. И потому все пионеры науки от Галилея и Ньютона до Бора и Эйнштейна – и далее – одной ногой стояли в прошлом, хотя воображение помогало им творить будущее.

В этом «революционеры» науки ничем не отличаются от впередсмотрящих в других областях. Взять, к примеру, Авраама Линкольна [Эйбрэхэма Линкена][373], освободителя рабов Американского Юга, который все же так и не смог избавиться от архаической веры, что расы никогда не смогут жить вместе в «общественном и политическом равенстве». Сам Линкольн понимал, что взгляды человека на рабство могут противоречить его терпимости к расовому неравенству. Но он отстаивал свое принятие превосходства белых, утверждая, что, «согласуется со справедливостью» такая позиция или нет, дело не в этом, а в том, что белое превосходство есть «всеобщее ощущение»[374], от коего, «благонамеренно оно или нет, нельзя взять и отказаться». Забыть о белом превосходстве, иными словами, даже для самого Линкольна было слишком радикальным шагом.

Если поспрашивать людей, почему они убеждены в том или этом, они обычно не настолько открыты и осознанны, как Линкольн. Мало кто признается, как это, по сути, сделал 16-й американский президент, что верит в то или это, потому что все в это верят. Или «потому что я всегда так считал», или «потому что меня научили в это верить семья и школа». Но, как отмечал Линкольн, это благонамеренная часть доводов. В обществе единые для всех ценности создают культуру, но временами – и несправедливость. В науке, искусстве и других областях, где важны творчество и новаторство, общие верования могут воздвигать барьеры на пути мышления. И поэтому перемены зачастую происходят рывками, и поэтому же Бор увяз в попытках видоизменить свою теорию.

Пусть новой теории Бора и сужден был провал, у нее все-таки имелось одно счастливое свойство: она заставила юного Гейзенберга хорошенько задуматься над следствиями исходной теории Бора. Постепенно его размышления начали двигать его к радикальному новому взгляду на физику: быть может, имеет смысл или даже необходимо отставить представление о физической картинке внутреннего устройства атома – об орбитальном движении электронов, к примеру, которое мы в силах вообразить, но на практике наблюдать не можем.

Теория Бора, как и теории классической физики, основывалась на математических значениях, приписанных свойствам вроде положения на орбите и скорости движения по ней электрона. В мире предметов – снарядов, маятников, планет – Ньютон изучал положение и скорость, которые можно наблюдать и измерять. Но экспериментаторы не могут лабораторно наблюдать, где у нас сейчас электрон или как споро он движется – если движется вообще. Коли классические понятия положения, скорости, пути, орбит и траекторий нельзя подтвердить наблюдением на атомном уровне, рассуждал Гейзенберг, быть может, следует завязать с созданием науки атома – или иных систем, основанных на нем. К чему цепляться за старое? Оно, решил Гейзенберг, – лишь умственный балласт, чистый XVII век.

Можно ли, спрашивал себя Гейзенберг, развить теорию, основанную только на данных об атоме, которые подлежат прямому измерению, например, на частотах и амплитудах излучения, испускаемого атомом?

Резерфорд противился Боровской модели атома, потому что Бор не предложил никакого механизма, как электрон переходит с одного энергетического уровня в атоме на другой; Гейзенберг разобрался с этим замечанием, не измыслив такой механизм, а объявив, что механизма нет, нет никакого пути, когда речь заходит об электронах, или во всяком случае сам вопрос – за пределами физики, потому что физики меряют поглощенный или испущенный свет в таких процессах, но не могут сами эти процессы наблюдать. К возвращению в Гёттинген весной 1925 года лектором в институте Борна Гейзенберг обрел мечту, цель – разработать новый подход к физике, основанный исключительно на измеряемых данных.

Создать радикально новую науку, которая откажется от интуитивного описания действительности, данного Ньютоном, и отречется от его базовых понятий вроде положения в пространстве и скорости, кои мы все можем себе представить и понять, – устремление бесшабашное для кого угодно, не говоря уже о двадцатитрехлетнем Гейзенберге. Но, как Александр Великий, изменивший политическую карту мира в свои двадцать два, молодой Гейзенберг возглавит поход, который перелицевал научную карту мира.

Теория, созданная Гейзенбергом по вдохновению, займет место Ньютоновых законов движения как фундаментальная теория природы. Макс Борн назовет ее «квантовой механикой»[375], чтобы отличать от законов Ньютона, которые часто называют ньютоновской, или классической, механикой. Но теории физики обретают вес благодаря своей предсказательной силе и точности, а не по общему согласию или вкусам, и потому интересно, как теория, основанная на такой причудливой мысли, как Гейзенбергова, смогла «заместить» столь основательную теорию, достигшую стольких успехов, как Ньютонова.

Вот ответ: хотя понятийный аппарат квантовой механики сильно отличается от ньютоновского, математические прогнозы этих теорий обычно различаются лишь для систем масштабов атома или мельче, где законы Ньютона перестают действовать. И потому, полностью окрепнув, квантовая механика объяснила странное поведение атома, не противореча устойчивым описаниям повседневных явлений, предоставленным теорией Ньютона. Гейзенберг и другие развивавшие квантовую теорию знали, что так все и должно быть, и разработали математическое выражение этой идеи, посредством которого можно было с толком проверять молодую теорию. Бор назвал это «принципом соответствия» в квантовой механике.

Как Гейзенбергу удалось создать крепкую теорию из того, что в те времена было, считай, философскими предпочтениями? Он поставил себе задачу перевести представление о физике, основанной на «наблюдаемом», то есть на измеримых количествах, в математический аппарат, который, как и Ньютонов, можно применять для описания физического мира. Разрабатываемая им теория должна была быть применима к любой физической системе, но он развивал ее в контексте мира атома и с начальной целью объяснить путем общей математической теории причины успеха Боровской частной модели.

Гейзенберг первым делом взялся определять наблюдаемые величины, подходящие для атома.

Поскольку в атомном мире мы измеряем частоту света, испускаемого атомом, а также амплитуду – или интенсивность – спектральных линий, именно эти свойства Гейзенберг и выбрал. Затем он применил методы традиционной математической физики, чтобы вывести связь между классическими ньютоновскими наблюдаемыми величинами – положением в пространстве и скоростью – и спектральными данными. Он задался целью заместить с помощью этой выявленной взаимосвязи все величины, наблюдаемые в Ньютоновой физике, квантовым эквивалентом. Как выяснится, этот шаг требовал и творческого подхода, и смелости, потому что Гейзенбергу нужно было превратить положение в пространстве и импульс в математические сущности, оказавшиеся и новыми, и диковинными.