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

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.

Новый тип переменных потребовался потому, что положение тела в пространстве, допустим, определяется указанием одной отдельной точки, спектральные данные же требуют другого описания. Каждое из многочисленных свойств света, испускаемого атомом, – цвет, яркость – описывается не одним числом, а целым набором чисел. Данные образуют матричную систему, потому что существует спектральная линия, соответствующая переходу из одного исходного состояния атома в любое конечное, и получается значение энергии для каждой пары Боровских энергетических уровней. Если это все кажется сложным, не переживайте – это на самом деле сложно. Когда Гейзенберг придумал эту систему, он сам назвал ее «очень странной»[376]. Но вот суть того, что он сделал: он удалил из теории электронные орбиты, которые можно себе вообразить, и заменил их чисто математическими абстракциями.

Работавшие с теориями атома до Гейзенберга стремились, как и Резерфорд, обнаружить механизм процессов внутри атома. Они мыслили недоступное наблюдению содержимое атома как существующее в действительности и пытались вывести природу наблюдаемых спектральных линий, основываясь на догадках о поведении содержимого атома – например, движущихся по орбите электронов. Их рассуждения всегда предполагали, что составляющие атома имеют те же ключевые характеристики, что и предметы, к которым мы привыкли в повседневности. И лишь Гейзенберг мыслил иначе, и ему хватило пороху смело объявить, что орбиты электронов – за пределами наблюдения, а значит – не реальны, и им нет места в теории атома. Таков был подход Гейзенберга не только к атому, но и к любой физической системе.