Уолтер Айзексон - Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

Эйнштейн признавался, что находит такое “взаимное влияние” частиц “абсолютно загадочным”, поскольку, казалось бы, они должны вести себя независимо. “Кванты и молекулы не должны рассматриваться независимо друг от друга”, – написал он испытывавшему те же затруднения физику. В постскриптуме он добавил, что с математикой все ясно, но “физическая природа этого остается покрытой тайной” 52.

На первый взгляд, предположение о том, что две частицы должны считаться неразличимыми, нарушило принцип, который Эйнштейн по-прежнему будет старался сохранить. Это принцип сепарабельности, согласно которому две частицы, находящиеся в разных точках пространства, представляют собой две отдельные независимые реальности. Одним из достоинств общей релятивистской теории гравитации была возможность избавиться от “призрачного действия на расстоянии”, как Эйнштейн образно назвал его позднее. Это означает, что происходящее с одним телом не может мгновенно повлиять на другое, расположенное вдалеке тело.

Опять Эйнштейн оказался на переднем крае, обнаружив квантово-механический эффект, который в дальнейшем будет причинять неудобства ему самому. И опять молодые коллеги с большей, чем он, готовностью подхватили его идеи, точно так же как раньше ему оказалось легче, чем Планку, Пуанкаре и Лоренцу, воспользоваться полученными ими результатами 53.

Еще один шаг неожиданно был сделан, казалось бы, совершенно непригодным для этой цели игроком – австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером. Потеряв надежду создать нечто действительно важное, он принял решение стать философом. Однако, по-видимому, число австрийских философов было уже достаточно велико, и работу в этой области ему найти не удалось. Поэтому Шредингер продолжил занятия физикой и, воодушевленный одобрительными отзывами Эйнштейна о де Бройле, предложил теорию, названную “волновой механикой”. Эта теория приводит к системе уравнений, описывающих волновое поведение электронов де Бройля. Шредингер говорил о “волнах Эйнштейна – де Бройля”, разделив славу, как ему казалось правильным, пополам 54.

Сначала Эйнштейн встретил работу Шредингера с энтузиазмом, но затем его стали тревожить последствия, к которым могли привести волны Шредингера. Самым важным было то, что со временем такая волна должна была охватить гигантскую область пространства. Эйнштейн полагал, что на самом деле электрон такой волной быть не может. Так чему же в реальном мире соответствует волновое уравнение?

Человеком, который помог ответить на этот вопрос, был Макс Борн, близкий друг и постоянный корреспондент Эйнштейна (как и его жена Хедвига), преподававший тогда в Геттингене. Согласно Борну, волна описывает не поведение частицы, а вероятность найти ее в данной точке пространства в произвольный момент времени 55. Это утверждение еще определеннее, чем думали раньше, указывало, что в основании квантовой механики лежит именно случай, а не обусловленная причинностью достоверность. И это ставило Эйнштейна в еще более щекотливое положение 56.

Тем временем летом 1925 года другой подход к квантовой механике предложил молодой энтузиаст с горящими глазами, любитель пеших походов Вернер Гейзенберг. Получив стипендию, он работал под руководством Нильса Бора в Копенгагене, а затем вернулся в Геттинген к Максу Борну. Как и молодой радикал Эйнштейн, Гейзенберг начал с того, что в своих рассуждениях последовал за таким авторитетом, как Эрнст Мах. Он исходил из того, что при построении теории нельзя использовать величины и понятия, недоступные наблюдению, измерению или проверке. Для Гейзенберга это означало, что следует отказаться от представления об орбитах электронов, поскольку наблюдать их нельзя.

Вместо этого он доверился математическому аппарату, использующему только те величины, которые можно наблюдать, – длины волн спектральных линий излучения теряющих энергию электронов. Результат был так сложен, что Гейзенберг, вручив написанную им статью Борну, отправился с группой молодежи, которую сам и возглавил, в поход. Он надеялся, что учитель сам во всем разберется. И Борн это сделал. Гейзенберг использовал математические объекты, называемые матрицами. Разобравшись в этом, Борн помог подготовить и опубликовать статью 57. Вместе с Борном и другими геттингенцами Гейзенберг продолжил совершенствовать матричную механику, а позднее было показано, что она эквивалентна волновой механике Шредингера.

Эйнштейн вежливо написал жене Борна Хедвиге: “От идей Гейзенберга – Борна перехватывает дыхание”. Эти тщательно подобранные слова можно прочесть по-разному. В письме Эренфесту в Лейден Эйнштейн был более прямолинеен. “Гейзенберг снес большое квантовое яйцо, – написал он. – Они там, в Геттингене, этому верят. Я нет” 58.

Еще более известный и еще более взрывоопасный результат Гейзенберг получил двумя годами позже, в 1927 году. Это принцип неопределенности. Для широкой публики он представляется одной из наиболее известных и загадочных составляющих квантовой механики.

Невозможно, утверждал Гейзенберг, знать одновременно точное значение координаты частицы, такой как движущийся электрон, и точное значение ее импульса. (Импульс равен массе частицы, помноженной на ее скорость.) Чем точнее измеряется координата частицы, тем меньше точность, с которой можно измерить ее импульс. И в формулу, определяющую возможный компромисс, входит (что неудивительно) постоянная Планка.

Сам акт наблюдения, то есть процесс, при котором фотоны, электроны, любые другие частицы или волны энергии взаимодействуют с объектом, влияет на результат наблюдения. Но Гейзенберг пошел еще дальше. У электрона нет определенной координаты или траектории до тех пор, пока мы его не наблюдаем. Это свойство нашей Вселенной, а не просто недостаток, присущий наблюдению, или дефект измерительной аппаратуры.

Принцип неопределенности, такой простой, но тем не менее такой удивительный, был осиновым колом, вбитым в сердце классической физики. Этот принцип утверждает: за пределами наших наблюдений объективной реальности нет, у частицы даже нет независимой от наблюдения координаты. Кроме того, принцип Гейзенберга и другие положения квантовой механики подрывают веру в строгое выполнение во вселенной принципа причинности. Когда Эйнштейн написал, что у него есть возражения по этому поводу, Гейзенберг резко ответил: “Я верю, что индетерминизм, то есть отказ от неукоснительного требования причинности, необходим” 59.

Когда в 1926 году Гейзенберг приехал в Берлин прочесть лекцию, он впервые встретился с Эйнштейном. В один из вечеров Эйнштейн пригласил его к себе домой, где они вполне по-дружески продолжили свой спор. Это было зеркальное отражение тех споров, которые Эйнштейн в 1905 году мог бы вести с консерваторами, у которых вызывало сопротивление отрицание эфира.