Довид Ласерна - На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы
Шрёдингер против Борна
Во время конференции, которая была организована до вручения Нобелевской премии и длилась несколько дней, Борн узнал, что большинство физиков приняли представленную им статистическую интерпретацию, но убедила она далеко не всех.
«Планк до самой смерти оставался на стороне скептиков, хотя Эйнштейн, де Бройль и Шрёдингер не перестали настаивать на сомнительных моментах квантовой механики, желая возвращения к классическим ньютоновским концепциям и предлагая для этого решения, не опровергающие экспериментальные результаты».
В ходе своей дискуссии с Бором и Гейзенбергом Эйнштейн писал Бору свое знаменитое: «Квантовая механика — теория, внушающая большое уважение. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не то, что нужно. Эта теория дает много, но едва ли она подвела нас ближе к тайне Старика (Бога. — Примеч. ред.). Во всяком случае, я убежден, что тот не играет в кости». Этот намек на статистическую интерпретацию поразил Борна: «Мнение Эйнштейна о квантовой механике было словно нож гильотины». Более молодое поколение физиков не испытывало подобной озабоченности. В своей частной переписке Гейзенберг подшучивал над Эйнштейном, де Бройлем и Шрёдингером, называя их рыцарями постоянства.
Бог знает, что я совсем не люблю статистическую теорию.
На самом деле я ее возненавидел с того момента, как наш дорогой друг Макс Борн представил ее свету.
Шрёдингер о работах Макса Борна
В результате сформировались две фракции. С одной стороны, коалиция Гёттингена и Института Бора восхваляла каноническую версию квантовой механики, так называемую копенгагенскую интерпретацию. С другой — Эйнштейн и Шрёдингер и прочие радикалы прилагали все усилия, чтобы подорвать ее основы. Это была не личная вражда, а всего лишь поиск научной истины, во время которого противоборствующие лагеря то и дело обменивались перебежчиками. Шрёдингер никогда не принимал метод, которым Борн изменил его волновую функцию, и к концу жизни, наблюдая почти полную победу статистической интерпретации, упрекнул того в письме, полном юмора, сердечности и шутливого негодования:
«Ты, Максик, знаешь, как я тебя люблю, и здесь ничего нельзя изменить. Но да будет мне позволено устроить тебе хорошую головомойку. Ты так неделикатно кричишь о якобы универсальной копенгагенской интерпретации на всех научных углах и без всякой скромности утверждаешь это перед галеркой любителей включительно, и это граничит с нахальством. Ты действительно думаешь, что однажды человечество склонится перед этой чушью?»
Шрёдингер против Гейзенберга и Бора
В мае 1926 года невозмутимый Шрёдингер без остановок шел к своей цели. Он был убежден, что значение его работ утрачено, а претензии Гейзенберга привели к превращению квантовой механики в абстрактную территорию, и это беспокоило физика:
«Учитывая радикальные различия между отправными точками и концепциями квантовой механики Гейзенберга и <...> волновой механикой <...>, крайне странно, что известные факты этих двух теорий, в которых и состоит главное отличие от старой квантовой теории, будут объединены».
Шрёдингер использовал свои потрясающие способности к анализу и математическую интуицию, чтобы сравнить свои работы и работы Гейзенберга. Необходимо было решить парадокс: почему абстрактная и волновая теория достигали одинаковых результатов в исследовании одних и тех же проблем? Ответ был неожиданным: эти теории оказались идентичными с математической точки зрения. Так же как положение точки в пространстве может быть описано тремя декартовыми координатами (х, у, z) или при помощи радиуса г и углов (Θ, ф), матрицы и дифференциальные уравнения представляли собой два разных инструмента, игравших одинаковую роль. Так же как дом можно описать при помощи картинки или текста, эти теории передавали одно и то же сообщение двумя разными способами. И так же, как следует сравнивать слова, описывающие размеры комнаты или материала, из которого сделана мебель, с изображением на картинке, нужно было сравнить выражения анализа с алгебраическими. Оба метода содержали преимущества и недостатки и имели разную эффективность при передаче некоторых нюансов. Но в любом случае обе теории описывали один и тот же дом. И матрицы, и дифференциальные уравнения на разных языках описывали одно и то же.
Что означает это соответствие с технической точки зрения? Шрёдингер знал, что для некоторых ученых математический эквивалент «рифмуется» с физическим, но сам этого мнения не придерживался. Отшельники от математики, ведущие уединенную жизнь, были более склонны к абстракциям, чем ученые, открытые миру и приверженные физическому подходу. В этом плане волновая механика представляла собой идеальный компромисс. Для того чтобы теория могла развиваться, необходима система, способная как проектировать интуитивные модели, так и приближать их к реальности.
Мой молодой друг, вам еще многое предстоит выучить в физике... Поэтому устраивайтесь поудобней.
Замечание Вильгельма Вина, адресованное Гейзенбергу во время семинара в Мюнхене в 1926 году
Однако, несмотря на такое сближение волновой и матричной механики, красноречивый Шрёдингер критически отзывался о детище Гейзенберга: «Моя теория вдохновлена работой Луи де Бройля и некоторыми замечаниями Альберта Эйнштейна. <...> Я не вижу в ней никакой связи с представлениями Гейзенберга. Конечно, я знал о его теории, однако меня отпугивали, если не сказать отталкивали, казавшиеся мне очень трудными методы трансцендентной алгебры и отсутствие всякой наглядности». Это замечание оскорбило Гейзенберга, однако он промолчал и лишь наедине с Паули дал выход своим чувствам: «Чем больше я размышляю о физической части теории Шрёдингера, тем ужаснее она мне кажется». Из справедливости как матричного, так и аналитического подхода следовало, что математические основы квантовой механики были сформулированы. Однако науку ожидало решающее сражение относительно окончательной интерпретации теории.
Именно в Мюнхене 21 июля 1926 года состоялась первая дискуссия: Шрёдингер принял приглашение Зоммерфельда и Вильяма Вина и приехал, чтобы провести два семинара по своей новой волновой механике. Гейзенберг в это время находился у родителей в этом же городе и специально пришел послушать доклад коллеги. Когда начались прения, он заметил, что вследствие толкования Шрёдингера совершенно невозможно объяснить закон излучения Планка. Шрёдингер не нашел, что ответить, однако тут вмешался Вильгельм Вин, также присутствовавший на прениях. Он довольно резко заявил, что теперь с квантовым скачком покончено и что упомянутые Гейзенбергом трудности будут преодолены в ближайшем будущем.
Гейзенберг кипел от возмущения. Он попробовал продолжить спор, но Вин, который испытывал к молодому ученому некоторую неприязнь, едва не попросил его покинуть аудиторию. Гейзенберга оскорбила не только эта грубость, позже он говорил: «Шрёдингер просто выбрасывает за борт все квантово-теоретическое, то есть фотоэлектронный эффект, ионизационные толчки Франка, опыты Штерна, Герлаха и так далее. Не очень сложно построить теорию таким способом». Немного успокоившись, в этот же вечер Вернер встретился со своими наставниками, Борном и Бором, и обсудил ситуацию. А чуть позже Шрёдингер получил от Бора приглашение посетить в октябре Копенгаген, чтобы спокойно обсудить интерпретацию квантовой теории. Гейзенберг так вспоминал об этой встрече:
«Дискуссия между Бором и Шрёдингером началась прямо на вокзале в Копенгагене и продолжалась с раннего утра до поздней ночи каждый день. Шрёдингер остановился в доме Бора, так что никакие посторонние обстоятельства не мешали их разговорам. И хотя Бор в общении с людьми был всегда предупредителен и любезен, теперь он казался мне чуть ли не фанатиком, не идущим ни на какие уступки своему собеседнику и не прощающим ему малейшей неточности».
Непреклонный датчанин отметал все аргументы, сразу замечал уязвимые места в возражениях оппонента. Через эту экзекуцию прошел каждый довод Шрёдингера, а позднее — каждое наблюдение Эйнштейна. Однажды, почти в отчаянии, Шрёдингер воскликнул: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с атомной теорией!» Словом, Бор все эти дни, не снимая с лица любезной улыбки, безжалостно терзал гостя:
«Через несколько дней Шрёдингер заболел — вероятно, вследствие чрезмерного перенапряжения. Он слег с простудой. Госпожа Бор ухаживала за ним, приносила ему чай с пирожными, а Нильс Бор сидел на краешке кровати и внушал Шрёдингеру: «Но вы же должны признать, что...»
