Текст книги "Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью"

Короче говоря, Эйнштейн блестяще реализовал идеи Маха. Махисты много лет вдохновлялись его работами, считая, что успех теории относительности доказывает правильность их подхода. Для них было очевидно, что Эйнштейн разделяет взгляды Маха, ведь эти взгляды сыграли важную роль в появлении наиболее знаменитой и фундаментальной из его работ. Но когда последователям Маха случалось беседовать с Эйнштейном лично, они с удивлением убеждались, что он вовсе не был махистом-догматиком[36]36
  См. Don Howard 2015, «Einstein’s Philosophy of Science», в The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Winter ed., edited by Edward N. Zalta, http://plato.stanford.edu/archives/win2015/entries/einstein-philscience/. См. также в главе 8 еще о влиянии, которое Эйнштейн оказывал на последователей Маха, и об их реакции на открытие ими истинных философских воззрений Эйнштейна.


[Закрыть] – совсем наоборот! Хотя теория относительности и развенчала идею абсолютного пространства и времени, на место этих понятий она поставила другой абсолют: пространство-время, единую для всех наблюдателей комбинацию пространства и времени. Да и само слово «относительность», подразумевающее отказ от абсолютного, ввел в физику не Эйнштейн, а Макс Планк[37]37
  Gerald Holton 1998, Thematic Origins of Scientific Thought, rev. ed. (Harvard University Press), p. 70.


[Закрыть] – Эйнштейн недолюбливал этот термин именно потому, что в нем содержался намек на философский релятивизм. Эйнштейн предпочитал выражение «теория инвариантов»[38]38
  Ibid., p. 130.


[Закрыть], которое возбуждает совершенно другой ряд ассоциаций. (В теории относительности «инвариантами» называются величины вроде пространственно-временного интервала и многие другие, значения которых одинаковы для всех наблюдателей.) Позже, в зрелые годы, Эйнштейн неоднократно повторял, что идеи Маха не стоит принимать слишком всерьез. «Эпистемология Маха <…> представляется мне принципиально несостоятельной»[39]39
  Einstein 1949a, p. 21.


[Закрыть], – писал Эйнштейн. «Ничто живое из нее родиться не может. Она лишь способна вытравливать вредную нечисть»[40]40
  Isaacson 2007, p. 334.


[Закрыть]. Мах считал, что физика – всего лишь средство организации восприятия мира, тогда как для Эйнштейна физика имела прямое отношение к миру как таковому. «Единственная цель науки, – говорил он, – установление того, что существует»[41]41
  Kumar 2008, p. 262. Курсив в оригинале.


[Закрыть].

Однако, возможно, наиболее убедительным и откровенным свидетельством истинной позиции Эйнштейна по отношению к идеям Маха являются две другие его прославленные статьи, опубликованные в том же 1905 году. В одной из них Эйнштейн объяснил броуновское движение – случайные движения микроскопических пылинок в жидкости. Это явление почти за восемьдесят лет до статьи Эйнштейна заметил ботаник Роберт Броун (а еще на сорок лет раньше – и первооткрыватель фотосинтеза Ян Ингенхауз), но никто не мог его удовлетворительно объяснить. Это мастерски сделал Эйнштейн – и сделал, отвергнув махистский подход к физике. Напротив, Эйнштейн принял позицию антагониста Маха, Людвига Больцмана, заявлявшего, что мир состоит из невообразимого количества крохотных атомов. Мах громогласно и неоднократно провозглашал, что ни в какие атомы не верит, так как они слишком малы и в принципе ненаблюдаемы. Но Больцман сумел показать, что именно статистическое описание поведения огромного количества атомов прямо ведет к тем самым законам термодинамики, которые Мах с такой охотой принимал на веру. (О существовании атомов свидетельствовала и химия – к тому времени она уже около полувека эксплуатировала это представление.) Маха аргументы Больцмана не убедили. Но Эйнштейн находил их неотразимыми и элегантными и с охотой воспользовался существованием атомов, чтобы решить поставленные перед собой задачи. Эйнштейн применил статистические методы Больцмана и показал, что броуновское движение обусловлено отскакиванием атомов жидкости от пылинок. Таким образом, одним ударом он не только объяснил столетнюю загадку, но и убедительно продемонстрировал, что построенный на идее атомов статистический подход Больцмана к физике оказался логичным и действенным.

Так что статья Эйнштейна о броуновском движении была прямо-таки антимахистской. Но другая его статья в этом отношении оказалась еще хуже. В ней Эйнштейн тоже предложил разгадку старой загадки: освещение металлической пластинки могло приводить к тому, что от нее по проволоке начинал идти электрический ток. В этом так называемом фотоэлектрическом эффекте удивительно было то, что имел значение цвет используемого освещения: если оно было слишком близким к красному концу спектра, никакого тока не возникало, независимо от интенсивности излучения. Эйнштейн объяснил это странное явление, предположив, что свет состоял из частиц совершенно нового типа – фотонов. Это была необыкновенно дерзкая гипотеза – она не только бросала вызов философии Маха, но и как будто противоречила за сто лет многократно подтвержденному экспериментами убеждению, что свет – волна, а не частица. Конечно, Эйнштейн знал, что свет есть электромагнитная волна, – эта идея и вдохновила его теорию относительности. Но это не помешало ему предположить, что каким-то образом свет является одновременно и частицей или имеет какие-то свойства частицы. В защиту своей странной идеи Эйнштейн мог указать только на фотоэлектрический эффект, да еще, может быть, на одну неувязку в законе излучения абсолютно черного тела, выведенном за пять лет до этого немецким физиком Максом Планком. В течение двадцати лет после появления статьи о фотоэффекте почти никто, кроме Эйнштейна, в существование фотонов не верил. Даже сам Планк не думал, что его работа влечет вывод о частицах света (хотя много лет спустя именно эту работу провозгласили началом квантовой революции). Только когда Артур Комптон в 1923 году действительно зарегистрировал рассеяние фотонов на электронах, физическое сообщество наконец приняло образ мыслей Эйнштейна – хотя даже и тогда кое-кто с ним так и не согласился[42]42
  Последним упрямцам все же пришлось в конце концов признать реальность фотонов как побочного эффекта в экспериментах Белла, выполненных Джоном Клаузером в 1970-х (см. главу 9).


[Закрыть].

Но к изоляции Эйнштейн был привычен. В 1905 году, работая в швейцарском патентном бюро, он в одиночку изменил мир и привычку к одиночеству сохранил до конца жизни. Он как-то пошутил, что «в его телегу впряжена лишь одна лошадь»[43]43
  Kumar 2008, p. 35.


[Закрыть]: с другими физиками он сотрудничал редко, своих студентов у него не было почти никогда. В науке, да и во всех областях жизни он вечно относился с подозрением к устоявшемуся мнению; он называл здравый смысл коллекцией предрассудков, накопившихся у человека к восемнадцати годам[44]44
  Lincoln Barnett 1949, The Universe and Dr. Einstein (Victor Gollancz), p. 49.


[Закрыть]. Поэтому, когда в 1925 году Гейзенберг появился на сцене со своей удивительной новой теорией, не было ничего неожиданного в том, что Эйнштейн отнесся к ней скептически. «Гейзенберг снес большое квантовое яичко», – писал он своему другу Паулю Эренфесту вскоре после того, как работа Гейзенберга была опубликована. «В Геттингене все в него верят. Я – нет»[45]45
  Isaacson 2007, p. 331.


[Закрыть]. И когда представился случай «допросить» Гейзенберга наедине, Эйнштейн этого случая не упустил.

* * *

У себя дома, удобно устроившись в кресле, Эйнштейн наконец спросил Гейзенберга о том, о чем ему не терпелось узнать. «Вы полагаете, что электроны существуют внутри атома, и, вероятно, вы совершенно правы. Но вы не хотите рассмотреть вопрос об их орбитах. <…> И мне очень хотелось бы услышать о причинах, заставляющих вас занимать столь странную позицию»[46]46
  Heisenberg 1971, p. 62.


[Закрыть].

«Мы ведь не можем наблюдать электронные орбиты внутри атома», – ответил на это Гейзенберг. Он указал, что реально наблюдаемым является только спектр излучения атома, и закончил суждением вполне в духе Маха. «Так как хорошая теория должна основываться на непосредственно наблюдаемых величинах, мне кажется более уместным ограничиться этим»[47]47
  Вероятно, эту формулировку своей позиции Гейзенберг придумал «апостериори». Истинные мотивы, по которым он игнорировал орбиты, заключались, вероятно, в том, что в предшествующем десятилетии они оказались в целом бесполезны для объяснения новых экспериментальных результатов. См. Beller 1999b, главы 2 и 3, и особенно pp. 52–58.


[Закрыть].

Как Гейзенберг потом рассказывал, Эйнштейн был шокирован. «Вы что, серьезно считаете, что в физическую теорию должны входить только наблюдаемые величины?»

«Но разве не этому правилу вы следовали в теории относительности?» – парировал Гейзенберг.

«Возможно, я действительно обращался к этому способу аргументации, но все равно это чепуха, – сказал Эйнштейн. – В принципе, совершенно неверно пытаться основать теорию только на наблюдаемых величинах. На деле все происходит ровно наоборот. Это теория говорит нам, что именно мы можем наблюдать»[48]48
  Ibid., p. 63.


[Закрыть]. И Эйнштейн стал объяснять, что информация об окружающем мире, которую мы получаем при помощи научных инструментов – или даже просто от наших органов чувств, – будет совершенно недоступна пониманию без некоторой теории о том, как устроен мир. Когда вы с помощью термометра проверяете температуру жареного цыпленка в духовке, вы предполагаете, что термометр точно измеряет температуру цыпленка, а свет, отражающийся от шкалы термометра и попадающий в зрачок, дает вам возможность точно произвести это измерение. Другими словами, у вас есть теория об устройстве мира, и вы пользуетесь этой (очень хорошо обоснованной) теорией, чтобы прочесть показание термометра. Точно так же, говорил Эйнштейн Гейзенбергу, когда вы смотрите на спектр атома, «вы с полной очевидностью предполагаете, что весь механизм передачи света от колеблющегося атома в спектроскоп или в ваш глаз действует именно так, как мы всегда предполагаем».

Гейзенберг, как он потом рассказывал, был «совершенно ошеломлен точкой зрения Эйнштейна». Отступая на казавшиеся прочными позиции философии Маха, Гейзенберг попытался возразить: «Идея, что хорошая теория – это не более чем конденсированные наблюдения, конечно, восходит к Маху, а всем, в сущности, известно, что ваша теория относительности решительно опирается на концепцию Маха. Но сейчас вы мне говорите совершенно противоположные вещи. Как же мне следует вас понимать? И что вы сами думаете об этом?»[49]49
  Ibid., p. 64.


[Закрыть]

«Мах, видите ли, пренебрегает тем фактом, что мир реально существует, что наши чувственные впечатления основываются на чем-то объективном, – ответил Эйнштейн. – Он делает вид, что мы прекрасно понимаем значение слова “наблюдать” и что это знание освобождает его от необходимости различать “объективные” и “субъективные” явления <…> У меня есть сильные подозрения, что именно из-за вопросов, которые мы сейчас обсуждаем, у вас с вашей теорией еще будут неприятности»[50]50
  Ibid., pp. 65–66.


[Закрыть].

Беседа зашла в тупик, и Гейзенберг решил сменить тему. Уже несколько дней он мучительно пытался принять трудное профессиональное решение. Дело было в том, что год назад, незадолго до своей судьбоносной поездки на Гельголанд, он провел семь плодотворных месяцев у Бора в Копенгагене. Сейчас Бор предложил Гейзенбергу снова приехать в Копенгаген, на этот раз в качестве своего ассистента. Естественно, Гейзенберг был несказанно рад этой возможности. Но прошло несколько дней, и он оказался перед невероятно трудным выбором из двух счастливых возможностей: ему предложили постоянную профессуру в Лейпциге – престижную позицию, которая для его возраста была просто неслыханной. Не придя ни к какому решению, он попросил у Эйнштейна совета. Эйнштейн посоветовал ему ехать к Бору[51]51
  Kumar 2008, p. 227.


[Закрыть]. Спустя три дня Гейзенберг был уже на пути в Копенгаген, чтобы снова оказаться у подножия квантового Олимпа, на котором царил верховный бог квантовой теории – Бор.

* * *

Бор и Эйнштейн были друзьями. После их первой встречи в 1920 году Эйнштейн писал Бору: «В моей жизни редко случалось, чтобы человек доставлял мне такую радость одним своим присутствием»[52]52
  Ibid., p. 131.


[Закрыть]. В письме своему близкому другу Паулю Эренфесту[53]53
  Австрийский и нидерландский физик-теоретик (1880–1933). – Прим. ред.


[Закрыть] Эйнштейн говорил, что Бор «похож на чувствительного ребенка, который разгуливает по миру как будто в трансе»[54]54
  Ibid., p. 132.


[Закрыть]. И Эйнштейн, и Бор были великими физиками, принадлежавшими к одному поколению; каждый из них оказал огромное влияние на развитие квантовой физики. Но на этом их сходство, пожалуй, заканчивается. В отличие от Эйнштейна, Бор постоянно работал с другими физиками. На протяжении почти полувека под его опекой побывали десятки молодых ученых. Он не только учил их физике, но и поддерживал всеми возможными способами во всех других аспектах жизни. Его невероятная харизма и мощь его личности производили неизгладимое впечатление на всех посетителей его института в Копенгагене. Как сказал американский физик Ричард Фейнман, «даже “большие шишки” относились к Бору как к божеству». У студентов и младших коллег Бор пользовался непререкаемым авторитетом и считался носителем сверхчеловеческой мудрости, «мудрейшим из живущих»[55]55
  Mara Beller 1999a, «Jocular Commemorations: The Copenhagen Spirit». Osiris 14, p. 266.


[Закрыть], по словам американского физика Дэвида Фриша. Джон Уилер, один из самых известных и влиятельных учеников Бора, сравнивал его ум с мудростью «Конфуция и Будды, Иисуса и Перикла, Эразма и Линкольна»[56]56
  Ibid., p. 257.


[Закрыть]. А для многих коллег Бора он был почти мистической фигурой, источником незамутненной научной истины. «Мы все считаем вас глубочайшим научным мыслителем, – писал Бору английский химик Фредерик Доннен. – Само небо послало вас, чтобы разъяснить нам истинный смысл всех этих современных достижений <…> Мысленно я вижу вас прогуливающимся в ваших прекрасных садах, где в редкие минуты спокойствия листья, цветы и птицы нашептывают вам свои секреты»[57]57
  John L. Heilbron 1985, «The Earliest Missionaries of the Copenhagen Spirit», Revue d’histoire des sciences 38, nos. 3–4, pp. 195–230. doi:10.3406/rhs.1985.4005, p. 223.


[Закрыть].

Мощную харизму Бора усиливало и его исключительное положение в научной и общественной иерархии. Правительство Дании основало и финансировало научно-исследовательский институт, единственной целью которого было обеспечить Бору благоприятную среду для работы. Датская академия искусств и наук избрала Бора резидентом Дома почета Карлсберга, построенного крупнейшей пивоваренной компанией «Карлсберг» для самого уважаемого гражданина Дании. Отпрыск одного из наиболее влиятельных и известных интеллектуальных семейств страны, Бор регулярно принимал у себя дома не только физиков, но и деятелей искусства, политиков и даже членов датской королевской семьи. Молодых физиков, приезжавших в Копенгаген, «Бор не только стимулировал в интеллектуальном смысле, но помогал им в карьере, способствовал духовному совершенствованию, не забывая и о земных радостях, материальных благах и психологической поддержке, – писала историк науки Мара Беллер. – Он сделался настоящим патриархом, которому поклонялось множество молодых ученых и чей авторитет мало кто смел оспаривать»[58]58
  Beller 1999a, p. 258.


[Закрыть]. Влияние Бора на судьбу его учеников часто простиралось далеко за пределы профессиональных отношений, заходя и в глубоко личные сферы: по словам Виктора Вайскопфа, одного из самых блестящих студентов Бора, «все молодые физики, работавшие у него, не более чем через два года обзаводились семьей»[59]59
  Ibid., p. 271n54.


[Закрыть].

Посещение копенгагенского мудреца было интеллектуальным и эмоциональным потрясением, особенно для молодых ученых. «Бор часто приглашал многих из нас в Карлсберг, где после обеда мы рассаживались вокруг него с чашечками кофе – некоторые буквально у его ног, на ковре, – стараясь не пропустить ни одного его слова, – писал Отто Фриш, другой ученик Бора. – Казалось, я видел ожившего Сократа, в своей кроткой манере ставящего нас перед труднейшим интеллектуальным выбором. Он умел поднять любой спор на более высокий уровень и заставить нас почувствовать в себе самих мудрость, о которой мы и не подозревали (и которой на деле, конечно, не было). Мы обсуждали все: от религии до генетики, от политики до искусства. И когда я катил на велосипеде домой по копенгагенским улицам, пахнущим сиренью или мокрым от дождя, я чувствовал себя опьяненным крепким вином этих платоновских диалогов»[60]60
  Ibid., pp. 258–259.


[Закрыть].

Но Бор был необычным мудрецом – не только блестящим и проницательным, но одновременно медлительно кропотливым и малопонятным, что иногда злило тех, кто его окружал. «Описать Нильса Бора тому, кто с ним никогда не работал, практически невозможно, – говорил Джордж (Георгий) Гамов, русский физик и бывший ученик Бора (Гамов и сам был очень крупной и известной личностью). – Вероятно, самым характерным его свойством была медлительность мышления и восприятия». Гамов описывает затем, как раздражали его просмотры кинофильмов в обществе отца квантовой физики:

«Единственными любимыми фильмами Бора были “Перестрелка на ранчо” и “Одинокий ковбой и девушка из племени сиу”. Но ходить с Бором в кино было нелегко. Он никак не мог уследить за сюжетом и все время, к большому неудовольствию зрителей, приставал к нам с вопросами: “Это кто? Сестра того ковбоя, который застрелил индейца? А, это был тот самый индеец, что хотел угнать стадо у брата ее мужа?” Такая же замедленная реакция проявлялась у него и в научных обсуждениях. Не раз бывало, что молодой физик-стажер (а большинство физиков, приезжавших на стажировку в Копенгаген, были молоды) делал блестящий доклад о своих последних расчетах по какой-нибудь запутанной проблеме квантовой теории. Все присутствующие довольно ясно понимали его аргументацию – все, кроме Бора. Тут же все начинали объяснять ему какой-нибудь простой момент, который он упустил из виду, поднимался невероятный шум, и в результате никто уже ничего не понимал. Наконец после долгих объяснений и споров для Бора начинало что-то проясняться, и тут оказывалось, что он видит эту проблему совсем не так, как докладчик, причем прав оказывался именно он, а докладчик ошибался»[61]61
  George Gamow 1988, The Great Physicists from Galileo to Einstein (Dover), p. 237.


[Закрыть].

Непоколебимая репутация Бора и мощь его личности, конечно, значили для его учеников и коллег гораздо больше, чем все помехи и сложности, возникавшие в процессе работы с ним. Курьезные особенности характера Бора, его странности и недостатки даже делали его еще притягательнее для учеников: они видели, что не только он нужен им, но и они ему нужны. Бор работал медленно и напряженно, и при этом ему органически были необходимы сотрудники. Свои идеи он постоянно формулировал и переформулировал, и эти формулировки ему нужно было на ком-то оттачивать. Писать он страшно не любил и написать что-либо без посторонней помощи практически не мог. В критический период рождения квантовой теории, с 1922 по 1930 год, Бор, по сути, не опубликовал ни одной работы без соавторов[62]62
  Beller 1999a, p. 261.


[Закрыть]. Насколько ясно и обманчиво просто было то, что писал Эйнштейн, настолько закрученными и непонятными выглядели писания Бора с их знаменитыми длинными и витиеватыми фразами. Вот, например, один из его сравнительно коротких и несложных пассажей, в котором он объясняет, что квантовые «скачки» составляют ключевое различие между квантовой и классической ньютоновской физикой:

«Невзирая на трудности, которые, таким образом, содержатся в формулировках квантовой теории, по всей вероятности, как мы сейчас увидим, ее сущность может быть выражена в так называемом квантовом постулате, который приписывает любому атомному процессу существенную скачкообразность, или, вернее, индивидуальность, совершенно чуждую классической теории и символизируемую планковским квантом действия»[63]63
  Niels Bohr 1934, Atomic Theory and the Description of Nature (Cambridge University Press), p. 53, в опубликованной версии его выступления на оз. Комо (которая изначально появилась в английском журнале Nature, как объясняет Бор в предисловии к этому тому).


[Закрыть].

Говорил Бор не яснее, чем писал. «На одной конференции в 1932 году Бор представил фундаментальный доклад, посвященный текущим затруднениям теории атома, – вспоминал ученик Бора Карл фон Вейцзеккер. – Со страдальческим лицом, склонив голову набок, он еле продирался сквозь нагромождаемые им неоконченные фразы»[64]64
  Beller 1999a, p. 256.


[Закрыть]. Затруднения, которые Бор испытывал при выражении своих мыслей, не ограничивались публичными выступлениями. Рассказывая о частной беседе с Бором, Вейцзеккер писал, что «его спотыкающаяся речь <…> становилась тем менее и менее вразумительной, чем более важным был предмет разговора»[65]65
  Ibid., p. 257.


[Закрыть]. (Как ни странно, при этом Бор якобы настойчиво рекомендовал студентам «никогда не выражаться проще, чем они способны думать».) Однако неясность мысли лишь усиливала закрепившуюся за Бором репутацию мудреца и пророка. Он мог обронить какое-то слово и оставить учеников разгадывать его смысл часы или даже дни напролет[66]66
  Beller 1999a, p. 257.


[Закрыть]. Но эта невнятность вовсе не уменьшала горячей привязанности студентов. Рудольф Пайерлс, один из учеников Бора (позже ставший научным руководителем молодого Джона Белла, когда тот писал докторскую диссертацию), говорил: «Хоть часто мы и не могли понять Бора, мы восхищались им почти безоговорочно и любили его беспредельно»[67]67
  Ibid., p. 252.


[Закрыть].

* * *

Спустя три дня после встречи с Эйнштейном в Берлине Гейзенберг прибыл в Копенгаген. Со времени своей предыдущей стажировки в институте Бора он успешно защитил докторскую диссертацию, разработал матричную механику и получил предложение возглавить кафедру в профессорской должности. Но он вовсе не чувствовал себя победителем – наоборот, он был раздосадован. Триумф его революционной матричной механики был у него украден – через полгода после выхода его работы венский физик Эрвин Шрёдингер опубликовал статью, в которой изложил теорию волновой механики, конкурирующую с теорией Гейзенберга.

Шрёдингер разработал принципы волновой механики в декабре 1925 года на курорте в Швейцарских Альпах, где он жил со своей подругой. Его теория была изложена относительно простым математическом языком волновых уравнений: гладко изменяющиеся волновые функции подчинялись уравнению Шрёдингера (как мы видели в главе 1). Гейзенберга беспокоило, что достижение Шрёдингера может затмить его собственный результат, и основания для беспокойства у него были. Замысловатый математический аппарат гейзенберговой матричной механики большинству физиков того времени был незнаком, и его нельзя было сопоставить ни с какой вразумительной физической картиной мира. Напротив, в теории Шрёдингера использовалась знакомая всем математика и простые физические идеи. С ней было просто обращаться, ее было легко объяснить. Шрёдингер гордился тем, что его теория не заставляет физиков «подавлять свою интуицию и оперировать одними абстракциями – такими, как вероятности переходов, энергетические уровни и тому подобное»[68]68
  David Cassidy 1991, Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg (W. H. Freeman), p. 214.


[Закрыть]. И большая часть физического сообщества соглашалась с этим – даже давние союзники Гейзенберга. Арнольд Зоммерфельд, с которым 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]69
  Ibid., p. 213.


[Закрыть]. Борн назвал шрёдингеровскую волновую механику «наиболее глубокой формой квантовых законов»[70]70
  Ibid.


[Закрыть]. 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]71
  Beller 1999b, p. 29.


[Закрыть].

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]72
  Kumar 2008, p. 212.


[Закрыть].

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]73
  Ibid., p. 222.


[Закрыть]. 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]74
  Heisenberg 1971, p. 73.


[Закрыть].

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]75
  Ibid., p. 75.


[Закрыть], – 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]76
  Ibid., p. 76.


[Закрыть]

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]77
  Ibid.


[Закрыть]. 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]78
  См. главу 1.


[Закрыть] 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 был, но понятия не имеем, с какой скоростью и куда он после этого полетел.

Гейзенберг стал думать: является ли выбор между измерением положения объекта и его импульса неизбежным или это просто свойство придуманного им эксперимента? К своему восторгу, он убедился, что ограничения возможностей измерения имеют фундаментальный характер: глубоко зарывшись в математические дебри волновой механики Шрёдингера, Гейзенберг вычислил, сколько информации об импульсе объекта мы теряем, определяя его точное положение, и наоборот. Мы хорошо знаем либо где находится объект, либо с какой скоростью и куда он движется, но мы не можем знать и то и другое одновременно.

По предложению Бора, Гейзенберг назвал найденную им закономерность «принципом неопределенности». Опубликованная им статья об этом открытии сработала именно так, как он надеялся: университет в Лейпциге вновь предложил ему профессорскую кафедру. На этот раз Гейзенберг согласился и в июне 1927 года, в возрасте двадцати пяти лет, стал самым молодым штатным профессором в Германии.

Бор тем временем обнаружил, что принцип неопределенности Гейзенберга прекрасно сочетается с его собственной новой идеей об истинной природе квантового мира, идеей, суть которой он выражал словом «дополнительность». Он начал писать об этом статью, но она, как обычно у Бора, превратилась в кипу черновиков, в которых ни одно предложение не было доведено до конца. В сентябре, однако, Бор увидел, что времени на переписывание работы у него не осталось: на альпийском озере Комо, на севере Италии, должна была начаться международная физическая конференция, и ему, Бору, предстояло произнести речь на ее открытии. В день выступления, лихорадочно перебирая в памяти подготовленные тезисы, Бор поднялся на сцену и заговорил, как всегда, тихо и сбивчиво.

Он начал с того, что «обычно наше описание физического явления целиком основано на представлении о том, что при его наблюдении мы не вносим в рассматриваемое явление существенных возмущений»[79]79
  Bohr 1934, p. 53.


[Закрыть]. Однако, как стало ясно из сформулированного Гейзенбергом принципа неопределенности, «любое наблюдение атомных явлений будет связано с таким взаимодействием объекта наблюдений с измерительным устройством, пренебречь которым невозможно»[80]80
  Ibid., p. 54.


[Закрыть]. Следовательно, продолжал Бор, «ни сами явления, ни средства их наблюдения невозможно считать реальными в обычном физическом смысле». Другими словами, мы не можем сказать, что в действительности происходит внутри атома, когда никто на него не смотрит, – согласно Бору, квантовый мир можно рассматривать как реальный только в сочетании с некоторым измерительным устройством. А поведение объектов, регистрируемое таким устройством, может наилучшим образом описываться в терминах либо частиц, либо волн, но никогда и в тех и других одновременно. Эти описания противоречивы – частица имеет определенное положение, а волна не имеет; у волн есть частоты и длины, а у частиц нет, – но Бор заявил, что эта «неизбежная дилемма» не является проблемой квантовой физики. «Мы имеем дело не с противоречивостью, но с дополнительностью явлений, которая является неотъемлемой особенностью описания опыта»[81]81
  Ibid., pp. 56–57.


[Закрыть], – сказал Бор.