Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

Детство и юность Вернера Гейзенберга прошли в период становления квантовой физики. Вскоре после поступления в Мюнхенский университет он начал участвовать в развитии недавно появившейся науки – атомной физики. В Первую мировую войну и послевоенный период была сформирована особая социальная среда, в которой вращались ученые, создававшие новую науку.

В семье Гейзенберга хранилось полное генеалогическое древо, в котором были перечислены шесть поколений предков. Оно понадобилось ученому в 1930-е годы, когда ему пришлось доказывать чистоту крови нацистским властям. Его предки со стороны отца были преимущественно ремесленниками – бондарями и слесарями, предки со стороны матери – крестьянами и фермерами. В последней трети XIX века экономический и промышленный рост Германской империи открыл представителям среднего класса путь вверх по социальной лестнице: они получили доступ к высшему образованию, а вместе с ним – возможность стать врачами, адвокатами, судьями и государственными чиновниками. Дед Гейзенберга по материнской линии Николаус Векляйн изучал классические языки и был директором Максимилиановской гимназии – одной из лучших средних школ Мюнхена. Отец ученого, Август Гейзенберг, преподавал греческий и латынь.

В те годы после окончания начальной школы дети получали техническое образование либо (чаще всего это касалось представителей высших слоев) готовились к поступлению в университет в гимназиях – государственных учебных заведениях, напоминавших современные средние школы.

Август Гейзенберг получил докторскую степень и начал преподавать в Максимилиановской гимназии. Одновременно он продолжал заниматься древнегреческим языком для хабилитации – получения высшей ученой степени, следующей за степенью доктора и позволяющей преподавать в университете. В 1899 году Август Гейзенберг женился на Анни Векляйн, одной из дочерей директора Максимилиановской гимназии. После рождения первого сына, Эрвина, супруги переехали в Вюрцбург, город в 200 километрах к северу от Мюнхена, где Август получил должность преподавателя местной гимназии. В Вюрцбурге 5 декабря 1901 года, спустя год после открытия квантовой физики, и родился Вернер Карл Гейзенберг.

С внезапной смертью заведующего кафедрой древнегреческого языка Мюнхенского университета жизнь Гейзенбергов изменилась. Как правило, при освобождении одной из существующих должностей или учреждении новой руководство университета обращалось к различным экспертам, в том числе зарубежным, и с их помощью составляло список из трех кандидатов, который подавался в министерство образования. Однако в этом случае должность требовалось занять как можно скорее, и министерству был представлен единственный кандидат, имевший прекрасные рекомендации. Таким образом, в начале 1910 года Август Гейзенберг возглавил единственную в Германии кафедру византийской филологии.

В одном из интервью 1960-х годов Вернер Гейзенберг упомянул два важных обстоятельства, в которых его отец сыграл значительную роль. Август был прекрасным учителем, он занимался с детьми в игровой форме и стремился поддерживать между ними дух соперничества. Часто отец предлагал старшему брату решать математические задачи, и юный Вернер, поняв, что ему это тоже по силам, почувствовал интерес к математике. Кроме этого, Август Гейзенберг прививал детям любовь к музыке. Вернер играл на виолончели и пианино и часто аккомпанировал отцу, когда тот пел тенором оперные арии. Эта игра на пианино и вообще увлечение музыкой сопровождали ученого всю его жизнь, и он достиг немалых высот для любителя.

После образовательной реформы Гумбольдта, прошедшей в Германии в XIX веке, основной задачей гимназий стало гуманитарное образование, основанное на изучении древнегреческого и латыни. Считалось, что такое образование лучше всего воспитывает моральные и интеллектуальные качества будущей элиты общества. Гимназический аттестат был необходим для поступления в университет.

Хотя в начале XX века появились и другие образовательные учреждения, гимназии по-прежнему считались элитарными учебными заведениями, а преподаватели латыни и греческого пользовались большим авторитетом. Преподавать в гимназии эти дисциплины могли только лица, имеющие степень доктора, хотя от других преподавателей этого не требовалось.

В сентябре 1911 года Гейзенберг начал обучение в Максимилиановской гимназии, директором которой в то время был его дед. Гимназический курс состоял из девяти классов. Как правило, школьники учились в гимназии с 11 до 19 лет. Почти 40 % времени уделялось классическим языкам и литературе, 24 % – немецкому языку и математике. Остальное время распределялось между историей, религией, французским языком и рисованием. Физика преподавалась только в трех старших классах по два часа в неделю.

Гимназические преподаватели Гейзенберга всегда отмечали его исключительные знания. Вернер по праву считался одним из лучших учеников в своем классе и всегда имел высший балл по математике. Возможно, благодаря соперничеству с братом, которое поощрял отец мальчика, при поступлении в гимназию Вернер знал намного больше, чем требовалось. Неудивительно, что преподаватель математики предлагал ему в дополнение к обычным задачам другие, более сложные. Отец, видя интерес сына к математике, достал для него несколько книг… написанных на латыни, чтобы убить одним выстрелом двух зайцев. Должно быть, отец переоценивал возможности Вернера – вместе с другими книгами он передал ему докторскую диссертацию по теории чисел Леопольда Кронекера, опубликованную в 1845 году Конечно, Гейзенберг многое в этой работе не понял, но зато познакомился с простыми числами, критериями делимости, теоремой Ферма и так далее. В результате в 1916 году музыка и теория чисел стали основными интересами Вернера.

В теории атомных спектров, на основе которой позднее была создана квантовая физика, основную роль играли именно целые числа. Однако сначала коротко расскажем о дискретности и непрерывности. Рассмотрим все десятичные дроби, целая часть которых равна нулю, например 0,73649100093. Существует бесконечное множество таких чисел, так как мы всегда можем добавлять к их записи все новые и новые знаки после запятой. Эти числа образуют непрерывное множество, так как для любых двух таких чисел можно найти третье число, заключенное между ними. Однако на этом бесконечном множестве можно выделить особые числовые ряды, например 1/2,1/3,1/4, 1/5 … или 1/22 , 1/32 , 1/42 , 1/52 … Эти ряды также будут содержать бесконечное множество членов, которые, однако, уже не будут образовывать непрерывного множества: к примеру, между 1/3 и 1/4 не заключено никакое число ряда. Говорят, что такие числа образуют дискретное множество. Теперь вернемся к атомным спектрам.