Безумные идеи

В понимании Шредингера квантовые числа Бора определялись просто числом дебройлевских волн электрона, укладывающихся на его орбите.

Так, в результате вдохновенной работы де Бройля, Гейзенберга и Шредингера родилась новая квантовая механика, удивительное, не совсем понятное, заряженное математической взрывчаткой оружие для дальнейших походов в микромир.

А через год, весной 1927 года, Девиссон и Джермер, два инженера из американской промышленной лаборатории, занимавшиеся вопросами технического использования электроники, неожиданно для себя сделали важнейшее физическое открытие. Они совершенно случайно, не стремясь к этому, обнаружили дифракцию электронов. При прохождении пучка, электронов через кристалл на фотопластинке получались такие же картины, как при прохождении рентгеновых лучей. Волновая природа электронов, предсказанная теорией, была подтверждена опытом. Началось триумфальное шествие новой теории.

Но это было странное шествие. Теория раскалывала все более и более твердые орешки, подбрасываемые ей экспериментаторами, но не могла ответить на некоторые подкупающе простые вопросы. Например, если было точно известно положение электрона, оказывалось невозможным определить его скорость и наоборот. Это казалось платой за приписывание частицам волновых свойств. Причина оставалась неясной. Это была кавалерийская атака без обеспечения тылов. Она не могла продолжаться долго.

В это время Копенгаген стал одним из наиболее активных центров развития теоретической физики, где вокруг Бора в непринужденной обстановке группировалась творческая молодежь из многих стран. Напряженная работа, начинавшаяся в аудиториях, библиотеке и небольших кабинетах, продолжалась за обеденным столом, во время вечерних прогулок, за столиками кафе. Здесь все были равны. Только что принятый аспирант ожесточенно спорил с самим Бором, и «сам» не считал зазорным признать, если оказывалось, что ошибается именно он.

Шредингер, который в течение некоторого времени пытался отказаться от квантовых скачков и полностью заменить в атоме электроны-частицы трехмерными волнами материи, осенью 1926 года приехал в Копенгаген, чтобы в горниле дискуссии апробировать свои работы. В результате было установлено, что так не только нельзя построить непротиворечивую теорию атома, но даже не удается объяснить планковский закон излучения черного тела.

Шредингер уехал, проклиная затею с квантовыми скачками. «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, — сокрушался он, — то я жалею, что вообще имел дело с квантовой теорией!»

Копенгагенская дискуссия продолжала бушевать много месяцев подряд. Споры тянулись до глубокой ночи. Надежда на просвет сменялась разочарованием. Это был один из замечательных «котлов» коллективного научного творчества. Гейзенберг вспоминает: «И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах».

Вновь и вновь обсуждалась работа Бора, Крамерса и Слетера, которые еще в 1924 году пытались устранить противоречие между волновой и корпускулярной картинами. Они считали электромагнитные волны не реальными полями, а волнами вероятности, показывающими, где скорее всего должен появиться квант света — фотон. Но эта упрощенная точка зрения оказалась неверной. Она приводила, в частности, к возможности нарушения закона сохранения энергии в элементарных актах, а это было недопустимым прегрешением против святая святых природы.

Закон сохранения энергии не мог быть нарушен. Взаимосвязь между волновой и корпускулярной картинами должна была быть более сложной. Однако идея вероятностной интерпретации вновь и вновь порывалась на поверхность копенгагенского «котла».

Использовав идеи Шредингера, Макс Борн предположил, что волна вероятности — это не трехмерная волна, аналогичная радиоволнам, свету или упругим волнам, а шредингеровская волна в многомерном пространстве. Это уже не волна материи, не материальный заменитель электрона, фотона или другой частицы, а абстрактный математический образ, тесно связанный с этими частицами. Борн предположил, что квадрат от амплитуды (высоты) этой незримой нематериальной волны определяет вероятность появления частицы в данном месте и в данный момент. Представить эту волну как нечто материальное невозможно и не нужно, но она удивительным образом позволяла согласовать теорию с экспериментом.

Эта трактовка не приводила к нарушению закона сохранения энергии. Но оставалось много неясностей: как определять, например, такую основную и, казалось, простую величину, как скорость частицы?

Выход из положения снова указал Гейзенберг. Стремясь к формальной стройности теории и много размышляя над философией проблемы, он сформулировал знаменитое соотношение неопределенностей. Оно было предельно просто: произведение ошибок в определении положения частицы и ее скорости не может быть меньше определенной величины, тесно связанной со знаменитым квантом, введенным еще Планком.

Гейзенберг не давал математического анализа истоков этого соотношения. Он вывел его из простого мысленного эксперимента и показал, что на опыте оно всегда справедливо. Он продемонстрировал новые возможности, открывающиеся, если признать это соотношение, в качестве основного закона микромира.

Новое соотношение, возведенное в ранг принципа неопределенности, позволило придать квантовой механике формальное совершенство и внутреннюю непротиворечивость. Но эти преимущества оказались оплаченными дорогой ценой. Квантовой механике пришлось отказаться от детального, наглядного описания процессов.

Исчезла наглядность, столетиями помогавшая ученым в их путешествиях по дебрям неведомого. Нельзя было даже мысленно проследить за траекторией движения электрона — ведь для этого нужно было одновременно знать его положение и скорость, а теория объявила это невозможным. Теории пришлось даже отказаться от возможности подробного анализа причин явлений микромира. Новая теория разорвала цепь бытия.

«Пала связь времен. Зачем же я связать ее рожден?» — вероятно, задавали себе не раз гамлетовский вопрос физики, приговорившие себя к добровольной каторге на галерах микромира. От привычной канвы событий остались отдельные звенья, связанные лишь нематериальными математическими формулами. Можно было вычислить лишь вероятность того, что за данной причиной наступит определенное следствие.

В науку вторглась случайность, но не случайность классической физики, бывшая лишь результатом отказа от чересчур громоздких вычислений в очень сложных задачах, а новая случайность, которая приобретала принципиальный характер. Выявились новые вероятностные закономерности, управляющие микромиром.

Оказывалось, что природа устроена так, что в ней не всегда действуют простые механические причинные связи.

Это была знаменитая копенгагенская интерпретация, родившаяся в результате ожесточенных споров и напряженного творчества многих ученых.

Ее положения совершенствовались и уточнялись еще в продолжение длительного времени в ходе новых широких дискуссий.

Ученым старшего поколения — Лорентцу, Эйнштейну, Планку и многим другим, стихийно стоявшим на позициях материализма, копенгагенская интерпретация казалась неприемлемой.

Они считали, что классическая причинность является непременным элементом природы и всякая физическая теория должна быть способна однозначно описывать связь между причиной и следствием.

Замечательный французский физик Ланжевен, например, называл разговоры о крахе причинности интеллектуальным развратом. Все они не сомневались в том, что частицы и поля существуют в пространстве и что движение частиц — это перемещение из одной точки пространства в другую. Если бы частица окрашивала свой путь в пространстве, мы должны были бы видеть ее след; точки, в которых она побывала, должны слиться в непрерывную линию — траекторию. Копенгагенская интерпретация заменяла эту линию толстым шнуром, темным в середине и постепенно светлеющим по краям. По оси этого шнура лежит наиболее вероятная траектория, но частица может оказаться сколь угодно далеко от нее, а затем вновь обнаружится вблизи середины. Вероятностная интерпретация не позволяет одновременно предсказать точное значение положения частицы и ее скорости. Понятие определенной траектории заменяется облаком вероятности.