Уроки мудрости

Когда я, будучи студентом, прочел книгу Гейзенберга, меня очаровало его объяснение парадоксов и кажущихся противоречий, с которым и сталкивались исследования субатомных явлений в начале 20-х годов. Многие из этих парадоксов были связаны с двойственной природой микромира, материя которого проявляется то как частицы, то как волны. "Электроны, — как говаривали физики в те дни, — оказываются частицами по понедельникам и средам, а по вторникам и четвергам — волнами". И, как ни странно, чем больше физики старались прояснить ситуацию, тем острее становились парадоксы. Лишь постепенно они обретали некоторую интуицию относительно того, когда электрон проявится как частица, а когда — как волна. Они начали, как выразился Гейзенберг,"проникаться духом квантовой теории" раньше, чем она получала точную математическую формулировку. Сам Гейзенберг сыграл значительную роль в этом процессе. Он показал, что парадоксы в атомной физике появляются тогда, когда атомные феномены пытаются описывать в классических терминах, и он был достаточно смел, чтобы отбросить классическую систему понятий. В 1925 году он опубликовал статью, в которой отказался от принятого описания электронов в атоме с точки зрения их положения и скорости, которым пользовались Бор и все остальные, и предложил более абстрактную систему координат, в которой физические качества были представлены определенными математическими структурами — матрицами. Гейзенберговская" матричная механика" была первой логически последовательной формой квантовой теории. Годом позже она была дополнена другим формальным аппаратом, развитым Эрвином Шредингером, известным как "волновая механика". Оба аппарата логически непротиворечивы: математически они эквивалентны — один и тот же феномен может быть описан в двух различных математических языках.

В конце 1926 года физики располагали полным логически непротиворечивым формальным аппаратом, но не всегда знали, как применить его к описанию конкретной экспериментальной ситуации. В течение следующих месяцев Гейзенберг, Бор, Шредингер и другие постепенно прояснили ситуацию в интенсивных, требовавших больших сил и часто очень эмоциональных дискуссиях. В "Физике и философии" Гейзенберг ярко описывал этот решающий период в истории квантовой физики: "Интенсивное обсуждение в Копенгагене вопросов, касающихся интерпретации квантовой теории, наконец привели к полному прояснению ситуации. Но прийти к этим решениям было не легко. Я помню разговоры с Бором, которые длились много часов, до поздней ночи, и кончались почти отчаянием; когда в конце концов я уходил один на прогулку в соседний парк, я вновь и вновь повторял себе: может ли быть природа столь абсурдной, какой она кажется нам в этих атомных экспериментах?" Гейзенберг видел, что формальный аппарат квантовой теории невозможно интерпретировать в рамках наших интуитивных понятий о пространстве и времени или о причине и следствии; вместе с тем он понимал, что все наши понятия связаны с этими интуитивными представлениями.

Следовательно, не было иного выхода, кроме как сохранить классические интуитивные представления, но ограничить их применимость. Большим достижением Гейзенберга было то, что он нашел точную математическую форму для выражения этих ограничений классических понятий, которая теперь называется в его честь "принципом неопределенности Гейзенберга".Это ряд математических отношений, которые определяют, в какой мере классические понятия могут применяться к атомным феноменам, таким образом эти отношения кладут предел человеческому воображению в субатомном мире. Принцип неопределенности указывает меру влияния ученого на свойства наблюдаемых объектов в процессе изменения. В атомной физике ученый уже не может играть роль отстраненного объективного наблюдателя. Он вовлечен в мир, который он наблюдает, принцип неопределенности Гейзенберга измеряет эту вовлеченность. На наиболее фундаментальном уровне принцип неопределенности — это мера единства и взаимосвязанности Вселенной. В 1920-х годах физики, во главе с Гейзенбергом и Бором пришли к понимаю того, что мир — это не скопление отдельных объектов, а сеть отношений между различными частями единого целого. Классические понятия, опирающиеся на повседневный опыт, не вполне адекватно описывают этот мир. Вернер Гейзенберг как никто иной исследовал границы человеческого воображения, пределы привычных понятий и степень нашей вовлеченности в мир, что он не только указал на эти различия и их глубокие философские следствия, но также сумел дать их точное и ясное математическое описание.