Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

К этим «внешним» факторам нужно отнести главным образом, пожалуй, следующие. Это тесное общение с Германом Вейлем, который в то время заведовал кафедрой математики в Цюрихском университете и оказывал прямую помощь Шредингеру в разработке математического аппарата; затем общение и дружба с Питером Дебаем, объяснившим в 22-м году эффект Комптона, и, наконец, «щелчок по носу» [17, с. 331], который, по выражению Шредингера, он получил от Эйнштейна по поводу «тщетной попытки построить картину фазовой волны электрона на эллиптической орбите». С этим же «щелчком» Шредингер получил от Эйнштейна указание на важность работ де Бройля. Шредингера увлекли идеи де Бройля, сумасшедшие идеи человека, профессией которого была вовсе не физика, а история искусств. Об этом времени жена Шредингера вспоминает, как о самом смутном. Ее муж, такой спокойный, такой хороший семьянин, потерял покой и говорит очень странные вещи, говорит, что сделал открытие, почти такое же важное, как открытие Ньютона. Открытие это — волновая механика Шредингера — появится в 1926 г. В 1929 г. де Бройль будет удостоен Нобелевской премии. А в 1925 г., когда Шредингер только начал свою работу, Гейзенберг создал первый вариант квантовой механики — матричную механику.

В ту пору Гейзенбергу не было еще 24 лет. Как ассистент Борна он занимался расшифровкой все тех же атомных спектров. Полуклассический фундамент, на котором была построена теория Бора, оказался шатким. Объяснение спектроскопических данных оставалось на качественном уровне. Даже в простейшем случае атома водорода при строгом рассмотрении концы с концами не сходились. Все попытки Гейзенберга, основанные на боровской модели атома, оказались безуспешными. Тогда он решил отказаться от самой модели атома и вообще от каких-либо предположений о том, что происходит внутри атома, и взял за отправную точку эмпирические данные — внешние проявления движения электронов, строгие данные спектра излучения атомов. Это оказалось той «счастливой догадкой», которая позволила Гейзенбергу создать адекватный математический аппарат для описания электронов в атоме, исходя, подчеркнем еще раз, только из строгих эмпирических данных. Он получил блестящее согласие с экспериментом. Гейзенберг понял, что находится на верном пути, но одно поразительное обстоятельство обескураживало его. Символы, которыми он оперировал, вели себя странным образом, а именно: если взять произведение импульса электрона р и его координаты q , то разность qp – pq оказывалась не равной нулю. Эта разность неизменно равнялась постоянной Планка, умноженной на квадратный корень из минус единицы. Получалось, что счастливая догадка и основанная на ней стройная теория могли оказаться ничем. Эту работу Гейзенберг сделал на острове Гельголанд в Северном море, куда ему пришлось уехать из цветущего Геттингена, спасаясь от сенной лихорадки. Не очень довольный своим символическим исчислением, Гейзенберг все-таки написал статью и привез ее Максу Борну.

«…Он был моим ассистентом, очень талантливым, — писал Макс Борн, — но еще очень молодым и не очень опытным. Он даже не знал точно, что такое матрица, и, зайдя в тупик, обратился ко мне за помощью. После некоторых усилий я нашел связь между его идеями и матричным исчислением, и помню мое удивление, когда квантовое условие Гейзенберга оказалось не чем иным, как матричным уравнением qp – pq = iħ . Матричная форма квантовой механики была затем разработана мной совместно с моим учеником Иорданом» [8, с. 237–238]. Борн незамедлительно послал работу Гейзенберга в печать. В дальнейшей разработке Гейзенберг участвовал, уже будучи у Бора в Копенгагене. «Это был оживленный обмен письмами, — писал Макс Борн, — моя часть этих писем, к сожалению, была утеряна из-за политических беспорядков. Результатом явилась статья трех авторов, которая в известной степени завершила формальную сторону исследований. Прежде чем появилась эта статья, произошел первый драматический сюрприз: была опубликована статья Поля Дирака по этому же поводу. Стимул, полученный им из лекции Гейзенберга в Кембридже, привел его к результатам, сходным с нашими в Геттингене, с той разницей, что он не прибегал к помощи матричной теории математиков, а самостоятельно открыл и развил учение о таких некоммутирующих символах» [Там же, с. 306].

Поль Дирак (1902 г. рождения) в 23 года создал свой вариант квантовой механики, основанный на им самим созданном математическом формализме, в 30 лет возглавил кафедру, которую когда-то возглавлял Ньютон. В 1928 г. он напишет уравнение, которое объединит основы теории относительности и квантовой механики и положит начало квантовой теории поля , про которое сам Дирак с гордостью скажет, что это уравнение объясняет бóльшую часть физики и всю химию.

Итак, в Кембридже появился еще один вариант квантовой механики — механика Дирака. «Пока мы обсуждали этот вопрос, — писал Макс Борн, — произошло второе драматическое событие: появились знаменитые статьи Шредингера. Его мышление развивалось по совершенно иному пути, восходящему к Луи де Бройлю» [Там же]. Научный мир пришел в замешательство. Уже были созданы матричные механики в Геттингене и Кембридже, а тут появилась новая механика — полная противоположность первым двум и столь же прекрасно согласующаяся с опытом. Случилось так, что летом того самого 1926 г. Гейзенберг поехал в Мюнхен навестить родителей и попал на доклад Шредингера. «Впервые познакомившись с толкованием, которое Шредингер хотел дать своему математическому дуализму — волновой механике, я пришел в совершенное отчаяние при мысли о той путанице в понятиях, которая, по-моему, была бы внесена в атомную теорию в результате такого толкования. К сожалению, из моей попытки навести порядок в понятиях во время дискуссии ничего не получилось: я привел доводы в пользу предположения, что вследствие толкования Шредингера совершенно невозможно объяснить закон излучения Планка, но они никого не убедили, а Вильгельм Вин, профессор экспериментальной физики при Мюнхенском университете, мне довольно резко ответил, что теперь действительно будет покончено с квантовым скачком и всей атомной физикой…» [17, с. 375].

Вскоре, однако, сам Шредингер доказал полную эквивалентность волновой механики и матричной механики Гейзенберга, получивших общее название «квантовая механика» — термин, который впервые ввел в физику Макс Борн еще в 1924 г. Но Максу Борну мы обязаны гораздо большим: смысл уравнения Шредингера, так же как единственно правильный смысл знаменитой пси-функции Шредингера, которую он ввел как функцию, описывающую волну в «чистом виде» (предпосылка, оказавшаяся абсолютно неверной), был выявлен Максом Борном. В интерпретации Макса Борна пси-функция не только не является волной, но и вообще не имеет никакого физического смысла. Смысл имеет лишь квадрат волновой функции, определяющий вероятность нахождения частицы в определенном энергетическом состоянии в определенной точке пространства и времени. Вероятностная интерпретация Макса Борна, с которой Шредингер так и не согласился до конца своих дней, и составляет суть квантовой механики. Именно в этой интерпретации уравнение Шредингера оказалось тем фундаментальным уравнением физики микромира, на котором построена современная физика. Сегодня мы знаем, что все гораздо глубже. Уравнение Шредингера правит не только микромиром, оно описывает самые разные явления и в макроскопической природе.