Jaume Navarro - Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

В сентябре 1927 года итальянские власти организовали международный съезд физиков, который прошел на берегу озера Комо. Событие приурочили к 100-летию со дня смерти Алессандро Вольты (1745-1827), великого итальянского физика, а также к десятой годовщине прихода к власти Муссолини. Съезд был одной из попыток правительства дуче на свой лад укрепить международный престиж Италии. Немецкие ученые задавались вопросом, предполагает ли участие в мероприятии формальную поддержку режима, который, среди прочего, ущемлял немецкоязычное меньшинство в Италии. Однако комитет Съезда утверждал, что находится вне политики, кроме того, он обладал авторитетом, не связанным с режимом Муссолини. Таким образом, почти все приглашенные согласились приехать, и это был первый международный съезд физиков после Первой мировой войны. Самым примечательным оказалось отсутствие на нем Альберта Эйнштейна.

Бор пришел к выводу, что нет никаких проблем в параллельном существовании двух формулировок — матричной Гейзенберга и волновой Шрёдингера. Обе полностью справедливы, но каждая — в своей области. Отношения неопределенности Гейзенберга показали, что невозможно вывести идеальное описание физической системы, поскольку процесс измерения становится частью наблюдаемой системы и, следовательно, изменяет ее. Принцип дополнительности ввел в физику фундаментальную относительность, параллельную относительность Эйнштейна. Дополнительность означала, что любое физическое описание является относительным применительно к используемой экспериментальной системе. Если измерять волны, нельзя одновременно измерить частицы, и наоборот. Оба метода полностью корректны, но только если мы учитываем, что и как мы измеряем.

Кроме того, как матричная (сосредоточенная на интерпретации явлений в терминах частиц), так и волновая механика полностью корректны, но только в качестве источников вероятностей. Ни один из двух методов не дает прогнозов, что именно произойдет. Они предоставляют только вероятностные прогнозы, что, кстати, было имплицитно заложено в самом понятии корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, так же как и в принципе неопределенности Гейзенберга. Бор понял: единственное, что может дать квантовая механика,— это вероятностные прогнозы, справедливые в отношении экспериментальной системы.

Одному ученому, который не присутствовал на Съезде в Комо по политическим мотивам, не понравился вероятностный уклон, по которому пошел Бор. Этим ученым был Альберт Эйнштейн.

В 1930-е годы атом постепенно заселяли новые обитатели. То, что до тех пор было очень простой моделью (ядро и несколько электронов вокруг), усложнилось с открытием других элементарных частиц — нейтрона, позитрона, нейтрино и мезонов. Бору и его современникам предстояло испытать квантовую механику внутри атомного ядра, где находятся эти частицы. Однако точки зрения двух великих физиков того времени — Эйнштейна и Бора — абсолютно расходились.

«Бог не играет в кости» — этой знаменитой фразой Эйнштейн отреагировал на интерпретацию квантовой механики, предложенной в Копенгагене, особенно после того как в 1927 году Бор наделил вероятностным характером новую физику. Это не противопоставление теологического (Эйнштейн) аргумента математическому (Бор), а столкновение двух противоположных философских концепций.

Эйнштейн и Бор впервые встретились через месяц после Съезда в Комо, когда пятый Сольвеевский конгресс собрал примерно 30 физиков в Брюсселе. В столицу Бельгии прибыли величайшие ученые эпохи, большинство из них уже имели Нобелевскую премию или удостоились ее позже. Сольвеевские конгрессы — это неформальные дискуссии и обмен идеями без ограничений по времени, свойственных другим встречам. Отсюда — фиксированное число приглашенных, их интернациональность и размещение в общем для всех участников месте, роскошном отеле «Метрополь» в центре Брюсселя.

Эйнштейн спускался к завтраку с примером или мысленным экспериментом, чтобы доказать Бору неверность его интерпретации, неверность принципа дополнительности. Нередко Бор тратил много времени, прежде чем отреагировать и найти ответную реплику на поставленную проблему. Однако день всегда заканчивался победой Бора над Эйнштейном, который тем не менее не сдавался и продолжал доказывать ошибку Бора и его последователей.

Каковы аргументы Эйнштейна? Для начала надо отметить, что примерно с 1925 года основной интерес немецкого физика сосредоточился на объединении его теории гравитации (общей теории относительности) с электромагнетизмом, что было никак не связано с проблемами квантовой физики. В то же время некоторые его квантовые разработки, осуществленные с 1924 по 1925 год, подтверждали один из его прогнозов 1905 года, который дольше всего не принимали в научном сообществе. Речь шла о существовании квантов света, или фотонов, которые подтверждали корпускулярную природу света. Эксперименты Артура Комптона (1892-1962) в США, принцип де Бройля и в какой-то степени сам принцип дополнительности свидетельствовали о существовании фотонов.

Согласно Эйнштейну, глубинная ошибка заключалась в том, что копенгагенская интерпретация была в основном вероятностной и неопределенной: то, что квантовый мир открыт и предлагает различные выходы из одной и той же ситуации, принималось как должное. Если отказаться от понятия траектории и сосредоточиться только на начальных условиях заданной системы и возможных конечных состояниях, квантовая физика перестанет быть детерминированной и давать единственное решение проблем.

Надо понимать вопрос вероятности во всей его радикальности, чтобы уяснить неприятие Эйнштейна. Например, метеорологический прогноз всегда вероятностный: никогда точно не известно, какая именно будет погода. Это связано с нашим незнанием, поскольку нет способа вычислить все переменные, влияющие на погоду. Но неопределенность не является ее главным свойством, это всего лишь результат нашего незнания и неспособности к вычислениям. В квантовой механике неопределенность, напротив, свойственна относящимся к ней проблемам, поскольку изучаемая система варьируется в зависимости от того, как она изучается. Показателен пример с фонариком и потоком света (см. предыдущую главу): чтобы измерить, надо участвовать в процессе, и при этом изменяется то, что измеряется.

Бельгия сыграла очень важную роль в развитии физики первой трети XX века. Здесь проходили научные конгрессы, имевшие наибольшее значение для развития атомной и ядерной физики, теории относительности и квантовой механики. Их инициатором был Эрнест Сольве (1838-1922), химик, прославившийся тем, что разработал и запатентовал процесс производства карбоната натрия — материала, используемого среди прочего в изготовлении стекла и мыла. Первый Сольвеевский конгресс состоялся в Брюсселе осенью 1911 года. В нем участвовали более 20 ученых со всей Европы, приехавших обсудить и детально проанализировать новшества в физике. Намерением организатора, Хендрика Антона Лоренца, было создание благоприятной атмосферы, в которой лучшие ученые своего времени могли обмениваться идеями и мнениями о зарождающейся квантовой физике. Пятый Сольвеевский конгресс, проведенный в октябре 1927 года, возможно, был самым важным. Там победила копенгагенская интерпретация квантовой механики, которую Нильс Бор предложил месяцем ранее в Италии. На фото: физики — участники этого конгресса (Бор — первый справа во втором ряду).