Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью - Адам Беккер

Гейзенберг консультировался при написании своей диссертации, говорил: «Хотя истинность матричной механики несомненна, ее математическое изложение исключительно громоздко и пугающе абстрактно. Вот Шрёдингер и пришел к нам на выручку»[69]. Борн назвал шрёдингеровскую волновую механику «наиболее глубокой формой квантовых законов»[70]. Тем временем Паули уже использовал теорию Шрёдингера, чтобы сделать то, чего он не смог добиться при помощи одной только матричной механики, – вычислить яркость спектральных линий водорода, решив тем самым задачу, не поддававшуюся теоретикам более семидесяти лет[71].

Рис. 2.1. Архитекторы копенгагенской интерпретации в Институте Нильса Бора, 1936 год Слева направо: Бор, Гейзенберг и Паули

Однако при всех успехах волновой механики, которыми Шрёдингер откровенно хвастался, похоже было, что в тех областях, где эти две теории пересекались, шрёдингеровские уравнения приводили к тем же результатам, что и матричная механика Гейзенберга. Теория Шрёдингера, как и гейзенберговская, идеально воспроизводила спектр водородного атома: различные энергетические уровни модели атома Бора были, по Шрёдингеру, связаны с «собственными энергетическими состояниями» конкретной волновой функции с постоянными значениями энергии. Шрёдингер вскоре показал, что матричная и волновая механики математически эквивалентны и разными средствами описывают одни и те же идеи единой новой теории – квантовой механики. Задачи наподобие описания яркости спектральных линий сначала удалось решить средствами волновой механики только потому, что в большинстве случаев с уравнением Шрёдингера было в математическом отношении проще обращаться, чем с матрицами Гейзенберга. Но в смысле физической интерпретации реальности две версии квантовой механики отличались радикально. Шрёдингер был уверен, что нашел способ интерпретировать все квантовые явления как гладкое распространение волн, описываемых его уравнением. Гейзенберга такая трактовка вовсе не убеждала. «Чем больше я раздумываю над физической частью теории Шрёдингера, тем более отталкивающей я ее нахожу, – писал он Вольфгангу Паули. – То, что Шрёдингер говорит о возможности наглядного представления его теории, “вероятно, не вполне верно”, другими словами, это полная чушь»[72].

Но большинство физиков все же находило шрёдингеровские волны более естественными, чем гейзенберговские матрицы. Раздосадованный этим Гейзенберг, который побаивался, что идеи Шрёдингера могут затмить его собственные достижения, написал своему наставнику Бору, а Бор, в свою очередь, написал Шрёдингеру, приглашая его приехать в Копенгаген и принять участие в «обсуждениях в узком кругу сотрудников института, обсуждениях, которые помогут нам глубже разобраться в открытых вопросах теории атома»[73]. Первого октября 1926 года Шрёдингер прибыл в Копенгаген на поезде. «Обсуждения» начались немедленно. Позже Гейзенберг вспоминал:

«Дискуссии Бора со Шрёдингером начались еще на вокзале и продолжались ежедневно с раннего утра до позднего вечера. Шрёдингер остановился у Бора в доме, так что их разговоры не прерывались. И хотя обычно Бор был очень тактичен и приветлив в отношениях с людьми, он поразил меня тем, что предстал почти беспощадным фанатиком, неспособным сделать оппоненту ни малейшей уступки, признать, что он хоть в чем-то неправ. Почти невозможно передать всего накала страсти этих дискуссий, всей глубины убеждений каждого из оппонентов, которые сквозили буквально во всяком их высказывании»[74].

По убеждению Шрёдингера, успех его волнового уравнения означал, что все квантовые явления можно в конечном счете объяснить поведением непрерывных волн. Но Бор и Гейзенберг на это возражали, что существуют явления, требующие привлечения идеи квантовых «скачков», – например, электроны в атоме Бора, переходящие с одной орбиты на другую. Гладким волновым преобразованием этого описать было нельзя. Шрёдингер не соглашался. «Если без этих чертовых квантовых скачков и правда никак не обойтись, то я уже жалею, что вообще связался с теорией квантов»[75], – жаловался он. В конце концов Шрёдингер, ослабев от непрекращающихся споров и неумолимых атак Бора, подхватил обычную для темной и сырой датской осени «простудную лихорадку» и слег в постель. Пока жена Бора Маргрете ухаживала за больным, угощая его горячим чаем с пирожными, Бор, присев на краешек кровати, тихо, но настойчиво продолжал свои уговоры: «Но вы же не можете не признать, что…»[76]

Убедить другого в своей правоте никому из них так и не удалось, и Шрёдингер отправился восвояси. «На взаимное понимание нельзя было и надеяться – ведь в это время ни одна из сторон не могла предложить полной и непротиворечивой интерпретации квантовой механики», – вспоминал Гейзенберг. «И тем не менее к концу визита Шрёдингера мы в Копенгагене уверенно чувствовали, что находимся на верном пути»[77]. В принципиальном смысле проблема заключалась в том, что физический смысл волновой функции Шрёдингера был по-прежнему неясен. Но летом того же года Макс Борн частично разгадал эту головоломку: он показал, что волновая функция частицы в некоторой точке дает вероятность измерения частицы в этой точке[78] и что волновая функция коллапсирует, как только измерение произведено. Глубокое исследование Борна в конечном счете принесло ему Нобелевскую премию, и вполне заслуженно. Но выведенное Борном правило операций с волновыми функциями поставило перед физиками новые вопросы. Что такое измерение? Почему волновые функции ведут себя по-другому, когда их «измеряют» – что бы это выражение ни значило? Идея Борна и математический аппарат, разработанный Шрёдингером, стали золотым ключиком, открывшим квантовый мир, но цена этого открытия оказалась высокой: на сцене появилась проблема измерения.

Гейзенберга не очень беспокоило решение проблемы измерения. В большей степени его заботило, получит ли он еще одно предложение постоянной профессуры. Он был расстроен тем, что достижения Шрёдингера затмили его собственные и что он сделал ошибку, вернувшись в Копенгаген, вместо того чтобы обеспечить себе постоянное и надежное место в Лейпциге. В поисках достойной проблемы, решив которую он повысил бы свой рейтинг на рынке труда, а заодно выиграл бы лишнее очко у Шрёдингера, Гейзенберг обратил внимание… на измерения! Но привлекла его не пресловутая «проблема измерения», а нечто более простое и обещающее быстрый результат: ограничения на информацию, которую можно получить от квантовых объектов. Объединив новый подход Борна с некоторыми предположениями, высказанными Эйнштейном во время их берлинской встречи, Гейзенберг наткнулся на одну глубоко запрятанную истину, которая, казалось ему, должна покончить с представлением Шрёдингера об упорядоченном квантовом мире.

Гейзенберг задумался о том, что случилось бы, если попытаться измерить положение одиночной частицы, например электрона, с очень высокой точностью. Это было бы похоже на поиски бумажника, который мы обронили на темной лужайке: зажигаем фонарик и светим вокруг, пока не находим пропажу. С электроном фонарик не поможет – длина волны видимого света гораздо больше него. Можно поискать электрон при помощи более коротковолнового излучения – гамма-лучей. Посветив гамма-лучевым фонариком, мы легко отыщем наш электрон. Но гамма-лучи имеют высокую энергию. Как только гамма-фотон ударится в электрон, электрон тут же полетит в случайном направлении. Итак, мы знаем, где он только что