Хуберт Мания - История атомной бомбы
Значит, он все-таки мог бы, думает Гейзенберг, рассматривать не наблюдаемые напрямую движения электрона как наложение атомарных колебаний. Это была бы подходящая альтернатива расхожему представлению об орбитах электронов, тем более что сам он больше не участвовал в рассуждениях о модели планетного кругообращения.
Судьбоносная прогулка по гёттингенскому Хайнбергу получает свое подобающее продолжение в многодневных пеших странствиях по Дании. Тут Гейзенберг в своей стихии, тем более что бывший футболист Бор загорелся спортивным азартом, когда Гейзенберг на пляже вызвал его потягаться, кто дальше запустит плоский камешек скакать по поверхности моря и сможет попасть в плавающие буи. Когда молодой немец, полный задора, поднял с проселочной дороги камешек, швырнул его в очень далеко стоящий телеграфный столб и действительно попал в него «вопреки всякой вероятности», Бор мгновенно посерьезнел: «Целиться в столь отдаленный объект и потом попасть — это, разумеется, невозможно. Но если у тебя хватает наглости бросить камень в ту сторону, не целясь, и вообразить при этом абсурдную возможность, что попадешь, тогда, быть может, это и случится. Воображение... может оказаться сильнее, чем воля и тренировка».
В мае 1925 года Гейзенберг снова у Борна в Гёттингене и формулирует, независимо от контрагентов в Дании, классическим математическим методом недоступные для непосредственного наблюдения местонахождения и скорости электронов. Расчеты оказываются ближе к действительности, чем до сих пор. Свойства электронов, обозначаемые раньше как «скачки», «движения» и «время обращения», отныне определяются как наложения атомарных колебаний. Это значит: внимание Гейзенберга смещается. Он больше не потрясает и без того неприступную внутреннюю структуру атома. Вместо этого он выражает фактически наблюдаемые спектральные линии и их интенсивность формально-математическим способом как колебательные состояния. Теперь ему предстоит освободить эту идею из корсета классической физики и перевести ее в подобающую квантовую форму.
С этим намерением Вернер Гейзенберг осуществляет радикальный отход от классической механики, где все вертится вокруг уравнений для местонахождения и для скорости частиц. Бор и Крамерс хоть и придерживаются того же представления о наслоении колебательных состояний, но непременно хотят остаться в классических рамках. Неужели Гейзенберг со своей «наглостью» снова попал — на сей раз в квантовую теорию, как тогда в телеграфный столб во время пешей прогулки с Нильсом Бором?
В конце мая 1925 года он, однако, прочно застревает в непроходимых дебрях сложных математических формул. Как назло, в этой тупиковой пробуксовке его настигает сильный аллергический приступ сенного насморка. И седьмого июня он уезжает на остров Гельголанд — скупо озелененные красные скалы в Северном море, — чтобы усмирить свою сенную лихорадку. Лицо у него такое опухшее, что хозяйка пансиона подозревает, не подрался ли ее молодой постоялец накануне вечером со своими собутыльниками. Ночи коротки. О сне — ввиду той задачи, которую Гейзенберг поставил перед собой, — нечего и думать. Когда ему нужно расслабиться от вычислений и набросков новых условий квантования, он совершает обход этого обозримого острова, лазает по скалам крутого берега из цветного песчаника, плавает в море или заучивает наизусть стихи из гётевского «Западно-восточного дивана». Избавленный от непрерывных дискуссий в Гёттингенском университете, он постепенно успокаивается. Ему удается «сбросить ненужный математический балласт».
Поскольку теперь он хочет брать в расчет лишь наблюдаемые величины, он отказывается от бессмысленного отслеживания местонахождений и скоростей электронов. Они теперь преобразованы в модель наслоения колебаний и выражают переход из одного атомарного состояния в другое. С классической точки зрения отклонения этих колебаний — амплитуды — перемножаются между собой. Здесь, на Гельголанде, Гейзенбергу однажды ночью удается в конце концов вывести соответствующее правило перемножения для квантовой системы. Он позаботился о том, чтобы из классической механической системы возникла квантово-механическая система. Кажется, он даже нашел давно искомый математический инструмент, который позволяет ему непротиворечиво определить энергообмен в атоме. В первых торопливых проверочных вычислениях этой ночи подтверждается даже закон сохранения энергии, с которым так не повезло последней теории Бора.
Теперь Гейзенберг уже не сомневается в цельности своей новой квантовой механики: «В первое мгновение я пережил настоящий испуг. У меня было чувство, что я заглянул сквозь оболочку атомарных явлений и увидел глубокое дно разительной красоты. У меня голова закружилась при мысли, что теперь я должен добираться до сути этого обилия математических структур, которые природа развернула передо мной там, внизу. Я был так взволнован, что о сне нечего было и думать». И он покидает свой пансион в утренних сумерках, бежит к северной оконечности острова и взбирается на «Длинную Анну», символ Гельголанда — красный скалистый столб высотой сорок семь метров, отвесно выпирающий из моря.
Глава 4. Нейтрон
В будущей квантовой механике должны устанавливаться исключительно «отношения между принципиально наблюдаемыми величинами». Этим прозрачным отречением от классической механики Вернер Гейзенберг возвещает о своем эпохальном труде 29 июля 1925 года в «Журнале физики». Его новая физика основана на математике высокой сложности. Гейзенберг хоть и открыл ее сам, спонтанно, с великолепным физическим чутьем — в своем гельголандском отшельничестве, — но Макс Борн сразу опознал в ней сто лет уже существующую, но мало известную ветвь математики, которая называется «решением матриц». В матрице числа располагаются как в таблице — рядами и колонками, которые по определенным правилам могут быть связаны между собой. Со своим новым ассистентом Паскуалем Йорданом Борн за считанные недели выстраивает из концепции Гейзенберга систематическую теорию квантовой механики.
К математике Гейзенберга, требующей определенного навыка, принадлежит также одно странное правило перемножения, которое предписывает факторам необратимость. При нормальном перемножении двух чисел их последовательность, естественно, не играет роли: 3×4=12 и 4×3=12. В рядах и колонках квантовых матриц тоже, без сомнения, стоят числа. Однако в них закодированы реальные переходы из одного атомарного состояния в другое. Числа, таким образом, выражают физические события, в которых замещаются кванты. И последовательность которых является решающей при атомарном обмене энергии. В универсуме Гейзенберга, таким образом, все зависит от того, в каком порядке два числа перемножаются между собой: «Конкретно говоря, один результат получается, если сперва определять энергию атома, а потом момент времени, относящийся к этой энергии, и совсем другой результат, если наоборот, сначала задать время и лишь потом измерять энергию, которая имеется в распоряжении атома». Если в «старой» квантовой теории еще недавно приходилось с трудом вводить в расчеты постоянную Планка, то теперь при помощи матричной алгебры она оказывается тут как будто сама собой, без внешнего принуждения. Это, пожалуй, самый убедительный бонус сложной математики.
Однако сообществу физиков новая концепция Гейзенберга дается тяжело. В немецкой столице Планк и Эйнштейн, сердечно связанные друг с другом гармонией домашнего музицирования — как сыгранные пианист и скрипач, — совпадают и в оценке приема Гейзенберга. В работе неистового квантового чародея им чудится чудовищный диссонанс. Возможно, любители музыки при чтении статьи Гейзенберга вспомнили о модернистах Шёнберге и Хиндермите, которых хоть и признаёшь, но добровольно слушать никогда не станешь. Ведь это они, два вельможных физика, устроили в начале XX века квантовую революцию. А теперь молодая поросль псевдореволюционеров только портит им настроение. Эйнштейн с присущим ему добродушием посмеивается над историческим деянием Гейзенберга. Мол, тот развел «квантовню», которая разве что в Гёттингене, влюбленном в математику, может сойти за мудрость в последней инстанции. А его, Эйнштейна, пусть уж избавят от этой мудрости. Спасибо, он обойдется и без решения немыслимой гейзенберговской матрицы.
Разумеется, Гейзенберга, который в свои двадцать четыре года уже пользуется мировой известностью, приглашают в апреле 1926 года в Берлин на «коллоквиум по средам» — даже лучше было бы сказать: требуют его приезда, — чтобы он ввел собравшуюся элиту физиков в курс новейшего состояния дел. И даже такому своенравному гостю Эйнштейн не преминул задать жару во время прогулки до его квартиры. Однако Гейзенберг храбро пускается в диалог с самым знаменитым физиком в мире. Тут сталкиваются две личности, научная креативность которых содержит сильную музыкальную компоненту. Оба они своим успехом обязаны не только выдающемуся уму, но и в такой же мере художественной интуиции. Они следовали ей, невзирая на критику коллег. Так Гейзенберг на Гельголанде поддался «эстетическому критерию истины» математических моделей, которые отличались «великой простотой и красотой». Эту формулировку мог бы разделить и Эйнштейн, который постоянно говорил об эстетической компоненте своей работы.
