Леонард Млодинов - Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства

Некоторое время физика пребывала в странном состоянии – как на стадионе Чемпионата мира, когда победный гол уже забили, но заметила это лишь горстка фанатов. Как ни странно, в конце концов из квантовой теории, представлявшей интерес лишь для специалистов, нечто, признанное фундаментальной теорией в основании всей физики, получилось благодаря появлению двух статей, в январе и феврале 1926 года, и обе они описывали другую общую теорию кванта, которая применяла совершенно иные понятия и методы и предлагала вроде бы иной взгляд на действительность.

Новая теория-конкурент описывала электроны в атоме как волну – понятие, которое физики уже привыкли представлять себе, пусть и не применительно к электрону. Удивительно, что, несмотря на различия, эта теория, как и Гейзенбергова, объясняла Боровскую модель атома. Со времен греков ученые вынуждены были обходиться вообще без всяких теорий, описывающих атом. А теперь вроде как возникло аж две. Они казались несовместимыми друг с другом: одна рассматривала природу состоящей из волн материи и энергии, вторая настаивала, что нет смысла воспринимать природу как состоящую из чего бы то ни было, и предлагала рассматривать лишь математические взаимоотношения между данными.

Новая квантовая теория – работа австрийского физика Эрвина Шрёдингера (1887–1961), и она отличалась от Гейзенберговой в той же мере, в какой эти двое людей различались между собой, и по стилю, и путями, которыми они пришли к своим открытиям. Гейзенберг доделывал свой труд, сидя на каменистом острове с распухшим носом, а Шрёдингер возился со своим на рождественских каникулах, которые проводил со своей любовницей в альпийском курортном городе Ароза. Он «делал великую работу» [384] Walter Moore, A Life of Erwin Schrödinger (Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 1994), стр. 138. , как сказал один друг-математик, «во время запоздалого эротического всплеска в своей жизни». Под «запоздалым» тот математик имел в виду преклонный возраст Шрёдингера – тридцать восемь лет.

Быть может, тот математик в отношении преклонности лет Шрёдингера и был прав. Мы не раз и не два наталкивались на юных физиков, открытых к новым воззрениям, и на тех, что постарше, стремящихся к традиционным методам, словно чем старше человек делается, тем труднее ему принимать перемены непостоянного мира. Работа Шрёдингера, как оказалось, – на самом деле еще один пример той же тенденции: как ни странно, мотивация Шрёдингера к созданию его теории, по его же признанию, состояла в разработке квантовой теории, которая, в противовес Гейзенберговой, походила бы на привычную физику, то есть Шрёдингер стремился сохранить привычное, а не отбросить его.

В отличие от куда более молодого Гейзенберга Шрёдингер и впрямь представлял себе движение электронов в атоме. И хотя его диковинные «волны материи» не наделяли электрон впрямую ньютоновскими свойствами, как орбиты Бора, его новая квантовая «волновая теория», которую поначалу никто не понимал, как толковать, оставляла надежду избежать вульгарного взгляда на действительность, предложенного теорией Гейзенберга.

Эту альтернативу физики оценили по достоинству. До Шрёдингера квантовая механика обретала поклонников очень медленно. Неведомая математика Гейзенберга, в том числе и бесконечное множество матричных уравнений, казалась чудовищно сложной, и физикам не хотелось расставаться с переменными, которые они в состоянии вообразить себе, в пользу символьных матриц. Теория Шрёдингера же была проста в применении и основывалась на уравнении, похожем на те, что физики уже учили в вузах в контексте волн в жидкостях и звуковых волн. Эта методология была для классических физиков хлебом насущным и делала переход к квантовой физике сравнительно легким. Важно и другое: предоставив способ визуализации атома, пусть и не применяя ньютоновские понятия вроде орбиты, Шрёдингер сделал квантовую теорию более удобоваримой – и антитезисом того, к чему стремился Гейзенберг.

Теория Шрёдингера полюбилась даже Эйнштейну – поначалу. Он и сам размышлял над волнами материи и в прошлом работал с австрийским ученым. «Замысел вашей работы происходит из подлинной гениальности!» 1– писал он Шрёдингеру в апреле 1926 года. Через десять дней Эйнштейн написал ему еще раз: «Я убежден, что вы своими выкладками по квантовой теории произвели решительный рывок вперед, и в точности так же я убежден, что метод Гейзенберга-Борна – заблуждение» [385] Walter Moore, A Life of Erwin Schrödinger , стр. 149. . Он восторженно отозвался о работе Шрёдингера и в начале мая.

Однако в том же мае 1926-го Шрёдингер сбросил еще одну бомбу: опубликовал статью, в которой показал, к своему же смятению, что его теория и теория Гейзенберга математически равносильны – обе верны. Обе теории, хоть и применяли разные понятийные аппараты, разные представления о том, что происходит «под капотом» природы (Гейзенберг-то вообще отказался даже заглядывать под этот капот), как выяснилось, отличались лишь в языке изложения: сообщаемое обеими теориями о том, что мы наблюдаем, было одинаково.

Усложняя все еще больше (или же для пущей интересности) двумя десятилетиями позже Ричард Фейнман разработает третью формулировку квантовой теории, довольно отличную математически и понятийно и от Гейзенберговой, и от Шрёдингеровой, однако математически равносильной теориям более ранним, с применением тех же физических принципов и с теми же прогнозируемыми результатами.

Уоллес Стивенз писал: «Трехсмысленно было мне, / Словно дереву, / В коем есть три дрозда» [386] Уоллес Стивенз, из стихотворения «Тринадцать способов смотреть на дрозда», из «Собрания стихотворений» (1954; New York: Vintage, 1982), стр. 92. , но применительно к физике такая ситуация странна. Если в физике вообще есть «истина», может ли быть более одной «правильной» теории? Да, даже в физике может существовать множество способов смотреть на вещи. Это особенно верно для современной физики, в которой то, на что мы «смотрим», вроде атомов, электронов или частиц Хиггса, не может быть буквально «увидено», и физики поэтому извлекают умозрительные картины скорее из математики, нежели из осязаемой действительности.

В физике один человек может сформулировать теорию в одних понятиях, а другой, описывая то же явление, – в других. Над войной правых с левыми в политике эти занятия в физике возвышает вот что: для признания истинности воззрения оно должно пройти испытание экспериментом, а это означает, что альтернативные теории должны приводить к одним и тем же выводам, а в политической философии такое случается редко.

Что возвращает нас к вопросу, открывают ли новые теории или же изобретают. Не вдаваясь в философские рассуждения о том, существует ли внешняя объективная действительность, можно сказать, что процесс создания квантовой теории был открытием – в том смысле, что физики наткнулись на многие ее принципы, исследуя природу, однако квантовая теория была изобретена – потому что ученые разработали и создали несколько разных понятийных систем, но все они выполняют одну и ту же задачу. В точности, как материя может вести себя и как волна, и как частица, так же, судя по всему, и теория, описывающая это явление, имеет два, казалось бы, противоречащих друг другу вида.