Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

Пользуясь образом волны-лоцмана, де Бройль проанализировал ключевые квантовые эффекты – уровни энергии электрона в атоме водорода и эффект наложения (интерференции) волн, возникающий при испускании фотонов по одному, когда им вроде бы не с чем интерферировать, – и предсказал волновые явления для электронов. (Эти идеи принесли ему Нобелевскую премию уже в 1929 г.; как сформулировал председатель Нобелевского комитета, «в то время, когда ни один известный факт не подтверждал эту теорию, Луи де Бройль утверждал, что поток электронов, проходящий через небольшое отверстие в непрозрачном экране, должен демонстрировать те же явления, что и луч света при аналогичных условиях».) Но при рассмотрении конкретных систем де Бройлю приходилось привлекать какие-то дополнительные соображения, чтобы определить конфигурацию самой волны. В схеме поначалу отсутствовал критически важный элемент – систематический способ находить эту волну, исходя из некоторых общих принципов. Принципы особенно хорошо проявляют себя в уравнениях; требовалось уравнение!

В ноябре 1925 г. идеями де Бройля впечатлился Шрёдингер, который и сформулировал подходящее уравнение, использовав для этого наступившие вскоре рождественские каникулы{54}. В соединении с уравнением для волны-лоцмана теория де Бройля получала шанс стать полноценной версией квантовой механики. В таком виде де Бройль и развивал ее дальше; в программе Сольвеевской конференции 1927 г. его большой доклад стоял в одном ряду с докладами о матричной (Гайзенберг) и волновой (Шрёдингер) механике.

Магистральные направления мысли сливались и разделялись. Волновая механика Шрёдингера потому была в первую очередь волновой, что Шрёдингер убрал из нее дебройлевские частицы. Там осталась только волна; освобожденная от заботы приглядывать за частицами, она и стала волновой функцией; само собой получилось, что для системы из хотя бы двух частей это уже не волна в пространстве; заодно выяснилось, что она ненаблюдаема сама по себе; Шрёдингер затратил значительные силы на попытки «слепить» из нее относительно локализованные образования на замену «выброшенным» частицам, но это, как мы видели, оказалось невозможно. Тем не менее в соединении с идеей о вероятностях (правилом Борна) уравнение для волновой функции приобрело несравненную мощь; Паули добавил туда спин; матричная механика Гайзенберга тоже по существу поместилась в этом уравнении… – в общем, мотор квантовой механики в виде уравнения Шрёдингера заработал на полную мощность. Издержки в виде проблемы измерения и коллапса не слишком смущали.

Де Бройль же, надо сказать, вообще рассматривал свою теорию, даже после появления в ней уравнения Шрёдингера, только как предварительный вариант какой-то более развитой будущей теории. А по итогам дискуссий (в том числе и на Сольвеевской конференции) у многих, в том числе у самого де Бройля, сложилось впечатление, что его частицы становятся препятствием, т. е. не позволяют получить правильный ответ в нескольких сложных ситуациях (изобретенных для этой цели Паули и другими). Не обошлось и без атаки на дебройлевские частицы со стороны Бора в его программной речи, произнесенной на другой конференции, проходившей в сентябре 1927 г. на озере Комо. Де Бройль от своей теории в конце концов отказался.

Про частицы де Бройля забыли. Стандартная квантовая механика осталась, разумеется, с уравнением Шрёдингера, но без частиц, ведомых волновой функцией. Правда, от дебройлевской схемы сохранилось общее правило, универсально применимое к квантовым явлениям: большие импульсы отвечают малым расстояниям, и наоборот, малые – большим. Мы уже встречались с его проявлениями: свет малой длины волны состоит из фотонов с высокой энергией (которая для фотонов пропорциональна их импульсу), а для прощупывания свойств материи на все более малых расстояниях требуются все более мощные ускорители.