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

переездом на новое место из Швейцарии. Для Эйнштейна в идеях Бора тоже не было ничего привлекательного – но Эйнштейн тоже не приехал. Пятью годами раньше фашист Бенито Муссолини захватил в Италии власть, промаршировав по Риму во главе 30 000 чернорубашечников, и Эйнштейн решил, пока он и его молодчики находятся у руля, бойкотировать все проходящие в Италии физические конференции. Через месяц, однако, Бор и многие бывшие на озере Комо физики собрались снова, на этот раз на престижную конференцию в Брюсселе, участие в которой было возможно только по приглашениям. Приехали Эйнштейн, Шрёдингер и многие другие. К решающему сражению все было готово.

3

Уличная потасовка

Эрнст Сольвей мечтал оставить в мире след при помощи своих денег. Как до него Альфред Нобель, он разбогател, занимаясь химической промышленностью – хоть и не такими разрушительными ее отраслями, как производивший динамит Нобель. И так же, как Нобель, он надеялся улучшить этот мир, способствуя научным исследованиям. В 1911 году на деньги Сольвея в его родной Бельгии была организована конференция, посвященная зарождающейся квантовой теории. Конференция прошла с оглушительным успехом, и это вдохновило Сольвея на организацию научных конгрессов высочайшего уровня «для избранных» по вопросам, лежащим на стыке физики и химии. В 1922 году Сольвей скончался, но его конференции продолжают устраиваться по сей день и принадлежат к числу самых авторитетных научных собраний в мире. Однако Пятая Сольвеевская конференция, состоявшаяся в Брюсселе в октябре 1927 года, даже на этом фоне стоит особняком. Семнадцать из двадцати девяти ее участников были уже состоявшимися или будущими лауреатами Нобелевской премии; одна из них, Мари Кюри, получила эту премию дважды. Кроме Кюри, на конференцию приехали Эйнштейн, Планк, Шрёдингер, Бор, Гейзенберг, Борн, Дирак, Паули. Общую фотографию участников можно увидеть во многих учебниках квантовой физики. И вместе с этим фото из поколения в поколение физики из уст в уста передают друг другу легенду, что-то вроде первозданного мифа о рождении квантовой физики[86]:

«Как-то раз группа великолепных физиков открыла квантовую механику. Новая теория оказалась очень успешной. Но Эйнштейн не мог согласиться с радикально новой картиной мира, которую рисовала квантовая физика, несмотря на то что он сам сыграл в ее зарождении огромную роль (и еще несмотря на то что когда-то физики старших поколений так же не могли согласиться с его собственной теорией относительности). Провозглашая свой знаменитый девиз “бог не играет в кости”, Эйнштейн много раз спорил за чашкой кофе с Бором. Начались эти споры на Сольвеевском конгрессе в 1927 году – там Эйнштейн то так, то этак пытался обойти придуманный Гейзенбергом принцип неопределенности. В конце концов Бор победил. Все остальные физики согласились, что квантовая физика верна, а копенгагенская интерпретация дает верный ключ к ее пониманию. Но Эйнштейн так и не принял новую теорию и до самой смерти настаивал на том, что случайность не может лежать в основе всей природы. Вот так-то, – заключает легенда, – даже величайшие и славнейшие физики иногда ошибаются».

Рис. 3.1. Пятый Сольвеевский конгресс, Брюссель, 1927. Первый ряд: Эйнштейн (в центре); Кюри (третья слева); Планк (второй слева). Второй ряд: Бор (крайний справа); Борн (второй справа); де Бройль (третий справа). Третий ряд: Гейзенберг (третий справа); Паули (четвертый справа); Шрёдингер (в центре)

Кое-что в этой истории правда. Правда, что Эйнштейн и Бор расходились во взглядах на квантовую физику. Правда, что они спорили о ней на Сольвеевской конференции в 1927 году и после нее. И правда, что Эйнштейн сказал «бог не играет в кости»[87], хоть сказал он это не в Брюсселе в 1927 году, а в письме к Максу Борну в 1926-м. Но почти во всех остальных важных вещах – в том, что касается затруднений, которые Эйнштейн находил в квантовой физике, и защиты ее Бором, в пересказе содержания копенгагенской интерпретации и в том, что все остальные физики после 1927 года ее в целом приняли, – ни грамма правды нет. Правда совершенно другая, и она гораздо интереснее, чем эта общепринятая легенда.

Луи де Бройль, физик и французский аристократ, выступал на Пятой Сольвеевской конференции одним из первых. Всего за три года до этого он защитил докторскую диссертацию. Де Бройль первым предположил, что все фундаментальные составляющие вещества могут проявлять себя и как частицы, и как волны. Многие из своих аргументов он позаимствовал у Эйнштейна: его научный руководитель, Поль Ланжевен, не зная, как отнестись к идее де Бройля, написал Эйнштейну, прося совета. Эйнштейн горячо откликнулся на это письмо: он сказал, что де Бройль «приоткрыл уголок великой завесы»[88]. Защита де Бройля прошла успешно.

На конференции в Брюсселе де Бройль представил новую идею. Умело манипулируя уравнением Шрёдингера, используя все тот же математический аппарат, он развернул совершенно новую картину квантовой физики. Вместо неполной и противоречивой схемы «дополнительных» частиц и волн де Бройль описал квантовый мир, в котором частицы и волны мирно сосуществовали. Частица распространялась вслед за «волной-пилотом», которая и управляла ее движением. В этом де Бройль предвосхитил интерпретацию квантовой физики, развитую спустя четверть века Бомом. Частицы у де Бройля двигались вполне детерминированным, однозначным образом, несмотря на статистическое правило Борна, согласно которому волновая функция служит инструментом вычисления вероятности. Однако частицы удовлетворяли и гейзенберговскому принципу неопределенности, так как их пути были скрыты от глаз наблюдателя – ни один эксперимент не мог выявить полной траектории частицы, в точном соответствии с тем, что утверждал Гейзенберг. Де Бройль нашел способ вернуть квантовому миру обусловленность и причинность, не принося при этом в жертву достигнутое в квантовой физике великолепное соответствие между теорией и наблюдениями.

Идеи де Бройля были встречены с интересом и вызвали бурные споры. Вольфганг Паули быстро нашел возражение: он заявил, что теория де Бройля противоречит известным теоретическим исследованиям столкновений частиц. Де Бройль, путаясь и сбиваясь под огнем методичных аргументов Паули, все же сумел доказать, что тот ошибается. Возражение Паули основывалось на глубоко ошибочной аналогии, которая поначалу и сбила французского герцога с толку. И хотя ответ де Бройля был исчерпывающим, Паули он не удовлетворил[89].

Другое, более серьезное возражение высказал по поводу интерпретации де Бройля Ганс Крамерс, голландский физик, в прошлом ученик Бора. Он указал, что, когда фотон отскакивает от зеркала, зеркало в свою очередь должно испытывать отдачу. Но, как заметил Крамерс, теория де Бройля этой отдачи не описывает. Де Бройль признал, что не может ответить на этот вопрос. Однако ни де Бройль, ни Крамерс не заметили, что на самом деле отдачу зеркала описать в рамках теории де Бройля вполне возможно. Для этого требовалось всего лишь рассматривать и фотон, и зеркало – а не один только фотон – как квантовые объекты. Но, как и большинство физиков этого времени, де Бройль считал, что квантовая физика применима только к микроскопическим объектам, – потому-то он и не