Холодильник Эйнштейна

Когда на Эйнштейна обрушилась такая слава, его огромный вклад в теорию теплоты (термодинамику) и ее связь с новой наукой (квантовой физикой) оказался в тени. Но интерес Эйнштейна к этим темам не угас. В 1920-х годах, работая вместе с бенгальским физиком Шатьендранатом Бозе, Эйнштейн значительно обогатил знания о статистическом поведении “частиц” света, о которых писал в первой статье “года чудес”. В тот же период эта тема стала камнем преткновения в долгой интеллектуальной битве Эйнштейна с великим датским физиком Нильсом Бором. Предметом спора были следствия квантовой механики: хотя Эйнштейн приложил руку к закладке фундамента этой науки, когда в 1905 году опубликовал статью о квантах света, ему не нравилось, в каком направлении ее развивают физики младшего поколения, к которому принадлежал Бор. Датчанин входил в одну группу с Вернером Гейзенбергом, Вольфгангом Паули и Максом Борном, которые считали, что квантовая механика предлагает новый способ объяснить, как работает природа на самом базовом уровне. Причины несогласия Эйнштейна описываются в часто цитируемом письме к коллеге: “Квантовая теория дает многое, но вряд ли приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. Во всяком случае, я убежден, что Он не играет в кости”.

Здесь Эйнштейн намекает на то, что, по мнению специалистов по квантовой физике, на уровне атомов, молекул и квантов света природе свойственна неопределенность. Например, нельзя точно сказать, где находится электрон. Можно лишь определить вероятность его пребывания в конкретном месте. На первый взгляд, здесь нет противоречия с представлениями Больцмана и Эйнштейна о молекулах и атомах. Оба ученых признавали, что нельзя совершенно точно сказать, как каждая молекула газа будет вести себя на протяжении заданного отрезка времени. Однако, применяя статистические аргументы, они могли достоверно предположить, как поведут себя большие скопления молекул. Копенгагенская группа, названная по родному городу Бора, видела ситуацию иначе. Больцман и Эйнштейн, по сути, использовали статистику, чтобы провести оценку того, что не поддавалось измерению. На практике невозможно знать положение и скорость каждой молекулы в литре воздуха, потому что молекул слишком много. В теории, однако, это возможно — при наличии достаточно мощного микроскопа и огромного количества времени. Копенгагенская группа считала иначе. Ее члены утверждали, что поведение таких объектов, как атомы, молекулы и кванты света, по природе своей имеет вероятностный характер. Иными словами, каким бы точным ни был ваш измерительный прибор, вы не сумеете сказать, что именно происходит с этими объектами. В лучшем случае можно надеяться лишь на вероятностную оценку.

Эйнштейн считал копенгагенскую интерпретацию крайне неудовлетворительной. Любопытна причина, по которой он занял такую позицию. Почему вероятностный фундамент квантовой теории казался ему неприемлемым? Считается, что вероятностная природа квантовой теории противоречит его теориям относительности. Хотя теория относительности не проста, она абсолютно однозначна. Следовательно, если знать в деталях исходное состояние системы, теоретически можно вычислить, какой эта система станет по прошествии времени. В квантовой физике, напротив, невозможно знать в деталях ни начальное, ни конечное состояние системы. О ней можно сказать лишь что-то вроде того, что с вероятностью 50 % она будет находиться в определенном начальном состоянии и с вероятностью 50 % — в определенном конечном.

Но ранние работы Эйнштейна о теплоте и существовании атомов и молекул позволяют предположить, что на самом деле его несогласие с квантовой теорией было обусловлено не ее вероятностной природой. В своих статьях о квантах света, сахарной воде и броуновском движении он применяет вероятности и статистику. Ключевое допущение в этих работах состоит в том, что невозможно с точностью сказать, где находится и насколько быстро движется отдельная молекула, но это не мешает делать достоверные прогнозы о поведении большого скопления молекул.