Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Весной следующего года Шредингер, развивая волновые представления де Бройля, разработал новую форму волновой механики, основанную на привычном для большинства ученых применении дифференциальных уравнений. Когда он пустил ее в дело — для расчетов процессов микромира, — он был потрясен: его подход, основанный на восходящем к Ньютону методе дифференциальных уравнений, и матричный подход Гейзенберга — эти два столь различные подхода — дали совпадающие результаты! Более того, Шредингеру удалось доказать, что это, по существу, одно и то же. Великая книга природы оказалась переведенной на два равноправных математических языка…

Вскоре Борн, принадлежащий к тому же поколению, что и Эйнштейн, и также стремившийся к полной ясности, поднял эстафету, брошенную Бором, Крамерсом и Слэтером при их неудачном выпаде против закона сохранения энергии. Не реальная световая волна, а абстрактная волновая функция Шредингера, вернее, квадрат этой функции, определяет вероятность индивидуальных событий в микромире. Это стало путеводной звездой всех, учившихся переводить математический язык квантовой механики на язык реальных событий мира — язык, состоящий из слов, пришедших к нам из обыденной жизни, и очень похожих на них слов и понятий, рожденных классической физикой. Гейзенберг немедленно принял пас своего учителя. Он тоже нашел возможность определять эту вероятность своим методом. Вероятность легко получалась как квадрат соответствующей матрицы… Мост между квантовой физикой и классической был проложен, но оставался еще очень шатким. Когда физики вступили на этот мост, все кружилось и плыло у них перед глазами. Мир казался пьяным…

К осени 1926 года Шредингер, один из создателей квантовой физики, подобно ученику чародея из баллады Гете, впервые испугался разрушительной силы демона, выпущенного им на свободу. Вероятностные закономерности и квантовые скачки между дискретными значениями энергии казались ему несовместимыми с четкой картиной классического мира, управляемого жесткими причинными связями. В сентябре 1926 года по приглашению Бора Шредингер приехал в Копенгаген. Начались изнурительные дискуссии по глубинным основам квантовой механики. Шредингер убеждал: нужно отказаться от представления о квантовых скачках и от вероятностной трактовки. Бор упорствовал: без этого нельзя понять даже формулу Планка. В конце дискуссии Шредингер в отчаянии воскликнул: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я жалею, что вообще начал дело с квантовой теорией!» Это запомнил третий участник дискуссии — Гейзенберг; запомнил он и ответ Бора: «Зато остальные благодарны вам за это, ведь вы так много сделали для выяснения смысла квантовой теории».

Трудная дискуссия дала толчок титанической работе, главная часть которой легла на плечи Бора и Гейзенберга. Гейзенберг в своих построениях отталкивался от идеи, приведшей когда-то Эйнштейна к теории относительности. Нужно, думал он, как это сделал Эйнштейн, изгнать из теории все, чего не может быть в реальности. Нужно действовать смелее. Ведь Эйнштейн изгнал «абсолютное время», введенное в науку Ньютоном. И это обернулось удачей, сделало формулы более конструктивными.

В мыслях Гейзенберга родился удивительный призрак. Впрочем, он был органичен для того времени напряженных дискуссий о двуединой сущности света. В воздухе все время витало это «либо — либо». Свою находку Гейзенберг назвал принципом неопределенности. Он провозгласил: величины, описывающие реальные состояния, возможные в природе, разбиваются на сопряженные между собой пары. Причем эти пары таковы, что их точное одновременное измерение невозможно. А раз это невозможно, то теория должна включать в себя такую невозможность. Иначе она не может правильно описывать реальный мир. К таким парам относится, например, точное положение частицы и ее точная скорость. На сухом языке математики: координата частицы и ее импульс (произведение массы на скорость).

Гейзенберг иллюстрирует это мысленным экспериментом с микроскопом: мы хотим при помощи микроскопа определить положение частицы и ее скорость. Для этого освещаем ее и фиксируем ее координату при помощи фотона, рассеянного частицей и попавшего в объектив. Чем точнее мы хотим измерить координату, тем меньше должна быть длина волны света. Ведь это определяет разрешающую способность (точность) микроскопа. Но Эйнштейн показал, что фотон, рассеиваясь на частице, передает ей часть своего импульса. Комптон подтвердил это на опыте. Поэтому при измерении координаты частицы мы обязательно изменяем ее импульс. Причем чем точнее мы хотим измерить координату, тем большей должна быть энергия фотона, тем больший импульс получает частица. Но ни величина, ни направление импульса не известны. И эта неопределенность увеличивается вместе с увеличением точности измерения координаты.