Жозе Фаус - Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

В 1942-1945 годах Гейзенберг описал так называемую матрицу рассеяния, позволявшую изучать столкновения элементарных частиц. В расчетах, выполняемых согласно правилам квантовой теории поля, фигурируют бесконечно большие величины, которые препятствуют применению этих расчетов на практике. Гейзенберг предложил способ, позволяющий описать наблюдаемые в лаборатории явления без выполнения подробных расчетов. Его основная идея в чем-то была схожа с той, что легла в основу квантовой механики. При рассмотрении атомов наблюдаемыми величинами являются частоты, соответствующие стационарным состояниям. Гейзенберг построил матрицу, в которой указывались частоты атомных переходов. Теперь при столкновении двух частиц можно было определить их импульсы задолго до столкновения и после него, когда частицы находятся вдали от области взаимодействия. Матрица рассеяния, или S-матрица, описывает изменения импульсов частиц в результате столкновения. Во время поездки в Голландию Гейзенбергу удалось обсудить свою модель с Крамерсом, который подбросил ему превосходную идею. Значения элементов матрицы рассеяния нельзя определить, не располагая полной теорией, однако можно применить чисто математический подход и описать их аналитической функцией на комплексной плоскости. Переменными этой функции будут импульсы частиц.

Гейзенберг смог получить важный результат: значения переменных, при которых элементы матрицы обращаются в ноль, связаны со стационарными состояниями элементарных частиц. Он настойчиво предлагал Крамерсу написать совместную статью, посвященную полученным результатам, но тот всякий раз вежливо отказывался. Гейзенберг не понимал, что эта совместная статья сделала бы Крамерса коллаборационистом в глазах соотечественников. Матрица рассеяния была забыта на несколько лет. О ней вновь вспомнили в 1960-е, так как она представляла собой часть феноменологической теории, позволявшей изучить столкновения элементарных частиц высоких энергий в отсутствие квантовой теории поля.

Хендрик Антони Крамере в городе Энн-Арбор, штат Мичиган, около 1928 года.

В сентябре 1941 года мы увидели, что перед нами открылся путь, который вел к атомной бомбе.

Бор и Гейзенберг несколько раз обсуждали свою встречу после войны. Их полемика стала широко известной в 1956 году, с публикацией книги Роберта Юнга об атомной бомбе, в которой немецкие физики изображались практически оппозиционерами нацизма. По всей видимости, идейным вдохновителем этой версии был Карл Фридрих фон Вайцзеккер. Юнг пишет, что Гейзенберг делал все возможное, чтобы Гитлер не заполучил атомную бомбу, и попытался передать сообщение союзникам через Бора, однако тот его неправильно понял. Гейзенберг написал Юнгу письмо, в котором указал, что Бор действительно его не понял, так как они говорили намеками, боясь быть услышанными. Гейзенберг спросил Бора, считает ли он, что физикам в военное время уместно вести исследования урана. Бор, в свою очередь, спросил его, можно ли использовать атомную энергию во время войны. Гейзенберг ответил положительно и добавил, что знает, как это можно сделать. Бор понял, что немецкая ядерная программа продвинулась далеко вперед. В этот момент Гейзенберг предположил, что физики с обеих сторон могут прийти к соглашению и прекратить работу над атомной бомбой. Позднее ученый объяснял Юнгу, что немецкая физика с 1933 года сильно пострадала, в то время как американская физика, напротив, переживала период расцвета, поэтому его слова можно было расценить как уступку Гитлеру. Он писал: «Разумеется, я не знаю, какое влияние эти слова оказали на Бора».

Будет уместно сделать два комментария. Во-первых, удивительно, что Гейзенбергу пришлось поехать в Копенгаген, чтобы обсудить с Бором этическую дилемму, о которой всегда можно было поговорить с Планком или Лауэ, особенно если учесть, что речь шла о военной тайне. Во-вторых, в письме Гейзенберг упоминал о прогрессе американских физиков (на тот момент США еще не вступили в войну), о котором стало известно лишь после войны. До 1945 года немецкие ученые были убеждены в своем огромном превосходстве над союзниками во всем, что касалось деления ядра. Прочитав книгу Юнга, Бор очень обиделся. Он написал несколько черновиков письма к Гейзенбергу, но по неизвестной причине это письмо так и не было отправлено, а сами черновики были опубликованы в 2002 году. В одном из последних черновиков Бор признавал попытки Гейзенберга по возможности помочь ему и разобраться в истинном положении вещей. Бор упрекал коллегу в том, что тот не понимал, насколько сложно было для датских физиков во время войны сотрудничать с ним и фон Вайцзеккером, работавшими на победу Германии. И это при том, что сам Гейзенберг был убежден, что именно созданное им ядерное оружие может определить исход войны. После этого разговора коллеги по институту рассказывали, что, по словам фон Вайцзеккера, немецкая наука в результате победы в войне заняла бы очень удачное положение и немалая заслуга в этом отводилась бы Гейзенбергу.

Насколько искренними были Бор и Гейзенберг? Возможно, некоторую ясность внесут новые свидетельства, если они будут найдены. Пока же свет на версию Гейзенберга проливают только протоколы послевоенных допросов его и других ученых.

В сентябре 1943 года в США начала работу миссия «Алсос», целью которой было получение информации о немецкой ядерной программе. Научным руководителем операции стал Сэмюэл Абрахам Гаудсмит, о котором мы уже упоминали, когда говорили о спине электрона. Участники операции следовали за союзными войсками в Европе, реквизировали все материалы и задерживали ученых и инженеров, имевших отношение к ядерной программе. Другие союзные войска получили аналогичные приказы. В ноябре 1944 года, изучив архив и бумаги фон Вайцзеккера в Страсбурге, Гаудсмит понял, что немцы не создали атомной бомбы и даже не смогли воспроизвести управляемую цепную реакцию. Когда Гейзенберг был задержан в мае 1945 года, он предложил союзникам всю имевшуюся у него информацию о делении ядра. К его удивлению, Гаудсмит проигнорировал предложение.

Англичане захватили десятерых немецких ученых: Вальтера Герлаха, Курта Дибнера, Пауля Хартека, Эриха Багге, Карла Вирца, Хорста Коршинга, Вернера Гейзенберга, Карла Фридриха фон Вайцзеккера, Отто Гана и Макса фон Лауэ. Двое последних не имели непосредственного отношения к созданию реактора, а часть других ученых была захвачена советскими войсками. В начале июля ученые были перевезены в поместье Фарм-холл близ Кембриджа, где они оставались практически в полной изоляции от внешнего мира до конца 1945 года. Задержанные не знали, что здание прослушивалось и все разговоры, имевшие отношение к ядерной программе, записывались. Расшифровки записей были опубликованы с комментариями Джереми Бернштейна в 1996 году. По мнению Бернштейна, . Гейзенберг не разбирался во многих важных вопросах, касавшихся как ядерных реакторов, так и атомных бомб, а знания его коллег были еще хуже. Из книги Бернштейна можно понять, как именно эти ученые противодействовали нацизму и какое участие они принимали в немецкой ядерной программе.