Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью - Адам Беккер Страница 7

В июне 1925 года Гейзенберга свалил ужасающий приступ аллергии – сенной лихорадки. Непрерывно чихающий, почти ослепший, с распухшим лицом, залитым постоянно текущими слезами, несчастный молодой физик уехал в двухнедельный отпуск на Гельголанд, маленький пустынный островок в Северном море, полностью лишенный деревьев и цветов. За несколько дней, проведенных на острове, он немного оправился и вернулся к своим теоретическим исследованиям. Не думая больше о том, что модель Бора говорила об электронных орбитах в атоме, Гейзенберг сосредоточился на реальных результатах эксперимента: спектре света, излучаемого при скачках между энергетическими уровнями. В три часа утра, в одиноком домике на каменистом берегу, о который бились волны холодного моря, с трясущимися от холода и волнения руками, в возбуждении то и дело совершая «бесчисленные арифметические ошибки»[30], Гейзенберг испытал озарение. «У меня было чувство, что сквозь внешнюю поверхность атомных явлений я разглядел странно прекрасный мир. Кружилась голова при мысли о том, что мне предстоит овладеть богатым многообразием математических структур, которое природа с такой щедростью раскинула передо мной»[31]. Тут же Гейзенберг набросал основные очертания странной новой математики, в которой простые утверждения типа «трижды два равно дважды трем» не всегда оказывались верны. Построенный им несколько неуклюжий математический аппарат позволил Гейзенбергу описать спектр квантового осциллятора – крохотного маятника, а с его помощью и показать, как атомные спектры реагируют на магнитное поле.

Когда Гейзенберг вернулся к работе в Геттингенском университете, он из осторожности сначала отправил набросок новой теории своему другу, блестящему физику Вольфгангу Паули – «моему самому строгому критику»[32], как вспоминал Гейзенберг много лет спустя. Но Паули восторженно приветствовал работу друга. «[Идеи Гейзенберга дают] новую надежду и возвращают мне радость жизни. <…> Хотя это еще не решение загадки, думаю, что теперь снова стало можно двигаться вперед»[33], – писал Паули. Макс Борн, научный руководитель Гейзенберга, был с этим согласен. Борн и его студент Паскаль Йордан помогли Гейзенбергу прояснить структуру и значение новой теории, Борн прозвал ее «матричной механикой» – по названию необычных математических объектов, матриц, на которых она основывалась. Матричная механика Гейзенберга с технической стороны выглядела устрашающе, ее невозможно было свести к визуальным аналогиям, однако она открывала перспективы построения единой теории не только для атомных спектров, но и для всего мира квантов.

* * *

Эйнштейн начал собственную революцию в физике за двадцать лет до описываемых событий. Ему было тогда столько же лет, сколько теперь было Гейзенбергу, – и он тоже находился в изоляции, хоть и не связанной с аллергией. В 1905 году, работая клерком в швейцарском патентном бюро, Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, разрешив таким образом давний спор о природе света. До Эйнштейна считалось, что свет является волной, распространяющейся в некоторой пока не обнаруженной среде с характерным для XIX века названием «светоносный эфир». Но в 1887 году физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли потерпели неудачу при попытке зарегистрировать движение Земли сквозь эфир. Чтобы объяснить результат этого эксперимента, физики стали одну за другой выдвигать все более сложные и искусственные идеи. Один из них предположил, что эфир сжимает объекты, когда они движутся сквозь него. Другой показал, что этого недостаточно – эфир должен также замедлять все физические процессы в движущихся сквозь него телах! Попытки приписать эфиру столь странные свойства лишь для того, чтобы сохранить эту иллюзорную среду, становились все более искусственными и запутанными.

Эйнштейн разрубил этот узел одним великолепным ударом. Его идея была из тех, которые только по прошествии времени кажутся очевидными. Он предположил, что эфир так трудно описать и представить просто потому, что его вовсе не существует. Свет есть волна распространяющегося электромагнитного поля, которая движется всегда с одной и той же скоростью. Для движения этой волны никакая среда не нужна. Из такого простого предположения Эйнштейн вывел всю теорию движения – специальную теорию относительности. Она объяснила отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли и позволила вывести из своих основных принципов казавшиеся странными эффекты – сокращение длины и замедление хода времени, которые другие теории принимали только как предположение.

Из специальной теории относительности вытекали необычные следствия. Одним из них было то, что скорость света оказывалась абсолютным пределом скорости: никакой объект или сигнал не мог двигаться быстрее, чем свет движется в вакууме. Из математики специальной теории относительности получалось, что для того, чтобы достичь скорости света, любому объекту требуется бесконечное количество энергии. А если объект каким-то образом сумеет двигаться быстрее света, то он теоретически отправится в прошлое и в принципе сможет не дать себе начать движение – парадоксальный результат. Скорость света и так довольно велика – около 300 000 км/c, но Эйнштейн к тому же показал, что никакое тело не может двигаться, никакой сигнал распространяться и никакое взаимодействие передаваться со скоростью, превышающей скорость света.

В том же году Эйнштейн напечатал продолжение своей работы: он развил теорию относительности, модифицировав ньютоновские законы движения. Попутно он вывел свое знаменитое уравнение, демонстрирующее, что масса есть форма энергии: E = mc2. И это были лишь две из статей, опубликованных Эйнштейном на протяжении 1905 года, «года чудес». Он напечатал еще две выдающиеся работы: о поведении атомов и о взаимодействии света и вещества – за вторую из них он впоследствии получил Нобелевскую премию.

В своих работах по теории относительности Эйнштейн отчасти следовал идеям австрийского физика и философа Эрнста Маха. Мах считал, что наука должна основываться на описательных законах, которые не содержат никаких утверждений об истинной природе мира, – такие утверждения он отвергал как бесполезные для науки и практики. Для Маха одним из наиболее злостных нарушителей этого принципа был величайший физик Исаак Ньютон. Основополагающий труд Ньютона, «Начала», открывался предположением, что пространство и время – абсолютные самостоятельные сущности, реально существующие в мире. Это «чудовищное понятие абсолютного пространства» было, по мнению Маха, «чистым мыслеобразом[34], который нельзя уловить опытным путем». Мах полагал, что правильно построенная наука о механике будет обходиться без онтологических утверждений о том, какие именно вещи реально существуют, а вместо этого станет просто формулировать описательные математические законы, точно предсказывающие наблюдаемые движения всех тел. Хорошими теориями, по Маху, являются те, что устанавливают связи между наблюдениями, а не те, в которых постулируется существование принципиально ненаблюдаемых объектов.

С точки зрения Маха, образцовой моделью современной физической теории была термодинамика. Ее законы выведены в начале 1800-х Карно, Джоулем и другими. Термодинамика ограничивалась