Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Нужно еще заметить, что сам Л. де Бройль, один из основателей квантовой теории, перестал соглашаться с ее выводами и пытался построить новую, уже не настолько вероятностную теорию. Но эти попытки остались безуспешными.

Уже вскоре после признания волновой природы электрона начала строится электронная оптика, но о ней поговорим позже, в главе о микроскопах.

6. Вернер Гейзенберг

Во всей научной деятельности Вернера Карла Гейзенберга (1901–1976, Нобелевская премия 1932 г.) — по-видимому, с самого начала — можно проследить такой принцип: нельзя пользоваться понятиями, которые принципиально не допускают проверки на опыте. В этом он следует за Эйнштейном, отказавшимся от понятий абсолютного времени и пространства (формально такой принцип Гейзенберг вводит в 1943 г. в так называемой теории оператора эволюции или 8-матрицы).

Однако уже в 1923 г., когда он был молодым и, как сам потом признавался, не очень образованным физиком и занимался формулами Бора для спектральных линий, пытаясь приспособить их к более сложным атомам (Бор рассматривал только водород и немножко гелий), Гейзенберг начал думать о том, возможно ли точно измерить подряд две физические величины.

Рассуждения, их потом назвали «микроскопом Гейзенберга», были таковы. Когда мы измеряем местоположение атома, мы его освещаем, т. е. посылаем на него хотя бы один фотон и фиксируем его отражение, но атом очень мал и взаимодействия с фотоном меняют его энергию, его скорость. Поэтому, точно измерив его координаты, мы уже ничего не можем сказать о его скорости. Теперь попробуем поступить наоборот, измерить скорость: для этого мы должны дважды его осветить, узнать два его положения и их разницу разделить на время между наблюдениями. Но такие наблюдения, даже если каждый раз мы их проводим с одним единственным фотоном, сбивают атом с места, и потому после измерения скорости мы уже ничего не знаем о местоположении атома.

Итак, если измерения точны, то действует принцип «либо-либо»: либо положение, либо скорость.

В научной работе невозможно предугадать какие знания могут сыграть роль. Так Гейзенберг за три года до своего прорыва чуть не провалил экзамен на вопросе о разрешающей силе микроскопа, а потом признавался, что «в последующей работе над соотношением неопределенностей., воспользовался знаниями, приобретенными мною в результате плохой сдачи экзамена».

Но что же получается, если эти соображения начать переводить на язык математики? Обозначим процедуру измерения положения буквой А (позднее стали говорить: «введем оператор А»), а процедуру измерения скорости — буквой В. Рассмотрим теперь действия с ними, при этом сразу же возникает вопрос: а почему, собственно говоря, можно в произведении двух множителей их переставлять, почему, например, мы всегда считаем, что АВ = ВА? Ведь в применении к физике атома это означало бы, что можно сначала измерить местоположение атома, т. е. определить А, а затем его скорость, т. е. В, но можно ведь, наоборот, сначала мерить скорость, а потом положение. Так вот: разве в обоих случаях результаты будут одинаковы? А это означает, что АВ может быть не равно ВА.

Со всеми этими идеями Гейзенберг пришел к своему руководителю, мудрому и опытному Максу Борну. Борн тактично улыбнулся и сказал, что математики давно построили такие величины, которые нельзя просто так переставлять— это матрицы, т. е. не отдельные цифры или символы, а составленные из них таблицы. Оказалось, что, действительно, атомные переменные нужно рассматривать не поодиночке, а целыми матрицами.

Год спустя в первой своей фундаментальной статье Гейзенберг попытался избавиться от всяких моделей. Поэтому он отказался от представлений об электронных орбитах Бора с определенными радиусами и периодами обращения — эти величины не могли быть наблюдаемы. Таким образом, Гейзенберг, по словам М. Борна, «рассек гордиев узел при помощи философского принципа и заменил догадки математическим правилом». Эта статья заложила фундамент так называемой «матричной механики», детальная разработка математического аппарата и физической интерпретации которой принадлежит, прежде всего, Борну.

Итак, повторим, был вновь подтвержден эмпирический принцип: физические теории могут иметь дело только с наблюдаемыми и измеримыми величинами.