Шаги за горизонт - Гейзенберг Вернер Карл (читать полностью книгу без регистрации TXT) 📗
Основным интересом моего учителя Зоммерфельда и предметом его личной исследовательской работы была атомная теория, та форма квантовой теории и те представления об атоме, используя которые Нильс Бор сделал в 1913 году решающий шаг в современную атомную физику. Лекции и семинары Зоммерфельда по этому предмету я посещал с первых дней своей учебы, хотя подготовки мне еще заведомо не хватало. Но очарование, исходившее от горячего интереса Зоммерфельда к названным темам, компенсировало многие разочарования, которые возникали, когда мои усилия понять их оставались безрезультатными. В этой связи речь часто заходила об эйнштейновской гипотезе световых квантов, и мне следует пояснить, в чем была суть дела. В зоммерфельдовском курсе лекций мы сначала изучали общепринятую со времен Максвелла традиционную точку зрения, согласно которой свет можно понимать как электромагнитное волновое движение, отличающееся от радиоволн, с одной стороны, и от рентгеновских лучей — с другой, только длиной волны. Наоборот, Эйнштейн в соответствии с квантовой теорией Планка и на основе известных экспериментов по фотоэлектрическому эффекту разработал гипотезу, согласно которой свет состоит из очень маленьких квантов энергии, световых квантов и, следовательно, его можно сравнить с градом множества маленьких снарядов [21]. Эти подходы так радикально различались, что я никак не мог понять уверения Зоммерфельда, будто оба представления обладают определенной долей истинности. Эйнштейн вновь выступил с тезисом, ставившим под вопрос фундаментальнейшие положения прежней физики; однако на этот раз доказательство того, что новая точка зрения не ведет к внутренним противоречиям, уже отсутствовало. Явления интерференции, столь часто наблюдаемые и хорошо изученные, находились в очевидном и непреодолимом противоречии с гипотезой световых квантов. Впрочем, в атомной физике было еще больше таких неразрешимых противоречий. Согласно Бору, атом состоял из относительно тяжелого атомного ядра, которое окружено электронами, как Солнце — вращающимися планетами. К такой планетной системе естественно было приложить те же математические законы, что и в астрономии, а именно законы ньютоновской механики. Но одновременно утверждалось, что могут существовать лишь строго определенные траектории электронов, определяемые квантовыми условиями. Подобное утверждение находилось в противоречии с ньютоновской механикой, так как, согласно последней, в результате внешнего возмущения ничто не мешает возникнуть орбите, недопустимой с квантово-теоретической точки зрения. В действительности же все указывало на то, что электрон, например, под влиянием внешнего светового излучения скачком переходит с одной квантовой орбиты на другую. Здесь-то и выступал Эйнштейн со своей гипотезой световых квантов; он назвал процесс испускания или поглощения света статистическим событием, при котором атом с определенной вероятностью выбрасывает или поглощает квант света. Вероятности этих процессов определялись посредством так называемых вероятностей переходов, и в знаменитой работе 1918 года Эйнштейну удалось, исходя из своих представлений, вывести планковский закон теплового излучения.
Таким образом, в первые годы своей учебы, делая попытки глубже познакомиться с тогдашней физикой, я снова и снова сталкивался с именем и творчеством Эйнштейна, и желание лично увидеть инициатора стольких, новых идей росло год от года. Однако моя первая попытка осуществить свое желание не увенчалась успехом. Было лето 1922 года. Общество немецких естествоиспытателей и врачей сообщило, что на запланированном в Лейпциге большом собрании Эйнштейн сделает один из ведущих докладов, а именно об общей теории относительности. Зоммерфельд предложил мне посетить конференцию и выслушать доклад Эйнштейна; он хотел, чтобы я там лично познакомился с ним. Между тем время было политически неспокойное. Горечь от поражения Германии в первой мировой войне и от тяжелых условий, наложенных победителями, еще не прошла, и разноголосица в понимании практических задач снова и снова приводила к ситуациям, похожим на гражданскую войну. Тогда проявились и первые признаки антисемитизма, разжигаемого кругами правых радикалов. Летом 1922 года, незадолго до конференции естествоиспытателей, в Лейпциге националистическими террористами был убит тогдашний министр иностранных дел Вальтер Ратенау. Речь шла о целенаправленной попытке затруднить все усилия, способные привести к соглашению. Вновь жарко разгорелись политические страсти, и ярость антисемитского движения начала направляться также и на Эйнштейна, ведь он был еврей и пользовался особенно высоким авторитетом в немецком образованном мире. Поэтому непосредственно перед лейпцигской конференцией по желанию Эйнштейна было решено, что он не будет выступать в Лейпциге, а прочтение его доклада возьмет на себя фон Лауэ. Я этого не знал, когда ехал в Лейпциг, и лишь поражался зловещему политическому возбуждению, которое было заметно у большинства участников заседания.
Когда я входил в большой зал заседаний, чтобы прослушать доклад Эйнштейна, какой-то молодой человек сунул мне в руку красную листовку, в которой можно было прочесть, что теория относительности — совершенна бездоказательное еврейское измышление, которое пользуется незаслуженным успехом только благодаря рекламе, созданной еврейскими газетами своему соплеменнику. Я сначала подумал, что это дело какого-то сумасшедшего какие частенько появляются на подобных заседаниях. Когда же я узнал, что красную листовку раздавали ученики одного из самых уважаемых немецких физиков-экспериментаторов явно с его одобрения, то сразу же рухнула одна из моих заветных надежд. Стало быть, науку тоже можно отравить политическими страстями; стало быть, и здесь речь идет не всегда только об истине! Я пришел в такое расстройство, что уже не мог по-настоящему воспринимать доклад. Сидя в зале на большом удалении от трибуны, я даже не заметил, что вместо Эйнштейна говорил фон Лауэ. И после заседания я не сделал попытки познакомиться с Эйнштейном, а отправился с первым же поездом обратно в Мюнхен. До личной встречи с Эйнштейном пришлось ждать еще четыре года, за которые в физике произошли большие и решающие изменения.
Коротко об этих изменениях. Противоречия, возникшие в квантовой теории строения атома, — я упоминал о них раньше — со временем стали еще более вопиющими и неразрешимыми. Новые эксперименты, например так называемые эффект Комптона и эффект Штерна — Герлаха, показали, что без радикального изменения системы физических понятий объяснить подобные явления уже не удастся. В этой ситуации мне вспомнилась мысль, вычитанная мною у Эйнштейна, а именно требование, чтобы физическая теория содержала лишь величины, которые поддаются непосредственному наблюдению. Смысл требования был в том, чтобы обеспечить связь математических формул с явлениями. Следуя этой мысли, я пришел к математической структуре, которая, похоже, действительно соответствовала атомным явлениям. Она была затем развернута мною совместно с Борном, Йорданом и Дираком в замкнутую квантовую механику, выглядевшую столь убедительно, что, собственно, в ее правильности уже нельзя было сомневаться. Но мы еще не знали, как следует интерпретировать эту квантовую механику, как следует говорить о ее содержании. Тогда, а это было весной 1926 года, я был приглашен берлинскими физиками рассказать на тамошнем коллоквиуме о новой квантовой механике. Берлин был в те годы оплотом физики в Германии. Здесь преподавали Планк, фон Лауэ, Нернст и сам Эйнштейн. Здесь Планк открыл квантовую теорию и Рубенс подтвердил ее своими измерениями теплового излучения. И здесь же Эйнштейн сформулировал в 1916 году общую теорию относительности и теорию гравитации. Итак, Эйнштейн будет среди слушателей, я лично с ним познакомлюсь. Само собой разумеется, я готовил свой доклад с величайшей тщательностью, ведь я хотел, чтобы меня, во всяком случае, смогли понять, в особенности же мне хотелось заинтересовать новооткрывшимися возможностями Эйнштейна. В некоторой степени доклад оправдал мои надежды, в последующей дискуссии были поставлены хорошие и полезные вопросы. То, что я возбудил интерес Эйнштейна, было заметно по тому, что он сам попросил меня сопровождать его домой, чтобы в спокойной обстановке обсудить у него подробнее проблемы квантовой теории. Так мне впервые довелось говорить с самим Эйнштейном. По пути домой он расспрашивал меня о моем становлении как физика, о моей учебе у Зоммерфельда. Но дома он тотчас приступил к центральному вопросу о философском обосновании новой квантовой механики. Он заметил мне, что в моем математическом описании вообще нет понятия «траектория электрона», хотя ведь путь электрона вроде бы непосредственно наблюдается в камере Вильсона. Ему казалось абсурдным, предположение, что в камере Вильсона есть траектория электрона, а внутри атома — нет; ведь понятие траектории не должно зависеть от величины пространства, в котором происходит движение электронов. Я защищался, прежде всего тем, что подробно обосновал необходимость отказаться от понятия траектории электрона внутри атома. Я подчеркнул, что такие траектории нельзя непосредственно наблюдать; реально регистрируются лишь частоты излучаемого атомом света, его интенсивности и вероятности переходов, ню не траектория непосредственно. И поскольку разумно вводить в теорию лишь величины, поддающиеся непосредственному наблюдению, именно понятие траектории электрона непосредственно в теорию входить как раз и не должно. К моему изумлению, Эйнштейн далеко не удовлетворился таким обоснованием. Он возразил, что любая теория обязательно содержит и ненаблюдаемые величины и что требование применять лишь наблюдаемые величины вообще не может быть проведено последовательным образом. И когда я сказал, что всего лишь применяю ту философию, которую он положил в основу своей специальной теории относительности, он ответил просто: «Может быть, раньше я использовал и даже формулировал такую философию, но все равно она бессмысленна». Итак, Эйнштейн успел уже пересмотреть свою философскую позицию по данному вопросу. Затем он указал мне на то, что уже само по себе понятие наблюдения является проблематичным. Каждое наблюдение, аргументировал он, предполагает однозначно фиксируемую нами связь между рассматриваемым явлением и возникающим в нашем сознании чувственным ощущением. Однако мы можем уверенно говорить об этой связи лишь при условии, что известны законы природы, которыми она определяется. Если же — что явно имеет место в современной атомной физике — сами законы ставятся под сомнение, то теряет свой ясный смысл также и понятие «наблюдение». В такой ситуации теория прежде всего должна определить, что поддается наблюдению. Этот довод был для меня абсолютно новым и произвел на меня тогда глубокое впечатление; позже он сыграл важную роль также и в моей собственной работе и оказался чрезвычайно плодотворным в процессе развития новой физики. Затем наш разговор перешел к специальному вопросу о том, что происходит при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Электрон то ли внезапно и скачком переходит с одной квантовой орбиты на другую, испуская квант света, то ли он, словно радиопередатчик, непрерывно излучает волны. В первом случае остаются непонятными достаточно часто наблюдаемые явления интерференции, во втором — факт наличия строго определенных частот линейчатых спектров. Здесь, отвечая на вопрос Эйнштейна, я вернулся к точке зрения Бора, согласно которой мы не вправе, имея дело с явлениями, выходящими далеко за пределы повседневного опыта, требовать, чтобы эти явления поддавались описанию в традиционных понятиях. Но Эйнштейн не вполне удовлетворился этой отговоркой; он хотел знать, в каком же квантовом состоянии должно тогда происходить непрерывное волновое излучение. Я привел в ответ сравнение с кинолентой, где подчас переход от одного кадра к другому происходит не внезапно, а так, что прежняя картина постепенно бледнеет, последующая постепенно усиливается, и в промежутке между ними неизвестно, с какой картиной мы имеем дело. Ведь и в атоме может возникнуть такая ситуация, когда мы некоторое время не знаем, в каком состоянии находится электрон. С такой интерпретацией Эйнштейн был еще менее готов согласиться. Наше знание об атоме, сказал он, совершенно ни при чем, ведь вполне может случиться, что два разных физика располагают разными знаниями об атоме, хотя речь идет об одном и том же объекте. Кажется, Эйнштейн тут же заметил, что таким путем мы приближаемся к интерпретации, принципиально признающей статистический характер законов природы. В самом деле, в статистике речь, по существу, идет о нашем неполном знании некоей системы. Однако на это он никак не хотел пойти, хотя сам в своей работе 1918 года ввел подобные статистические понятия. Придавать им принципиальное значение он не намеревался. Я тоже не знал тогда, как быть, и мы расстались во взаимной уверенности, что до полного понимания квантовой теории еще далеко.
