Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Кроме того, как матричная (сосредоточенная на интерпретации явлений в терминах частиц), так и волновая механика полностью корректны, но только в качестве источников вероятностей. Ни один из двух методов не дает прогнозов, что именно произойдет. Они предоставляют только вероятностные прогнозы, что, кстати, было имплицитно заложено в самом понятии корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, так же как и в принципе неопределенности Гейзенберга. Бор понял: единственное, что может дать квантовая механика,— это вероятностные прогнозы, справедливые в отношении экспериментальной системы.

Одному ученому, который не присутствовал на Съезде в Комо по политическим мотивам, не понравился вероятностный уклон, по которому пошел Бор. Этим ученым был Альберт Эйнштейн.

ГЛАВА 4

Битва титанов: дебаты Эйнштейн — Бор

В 1930-е годы атом постепенно заселяли новые обитатели. То, что до тех пор было очень простой моделью (ядро и несколько электронов вокруг), усложнилось с открытием других элементарных частиц — нейтрона, позитрона, нейтрино и мезонов. Бору и его современникам предстояло испытать квантовую механику внутри атомного ядра, где находятся эти частицы. Однако точки зрения двух великих физиков того времени — Эйнштейна и Бора — абсолютно расходились.

«Бог не играет в кости» — этой знаменитой фразой Эйнштейн отреагировал на интерпретацию квантовой механики, предложенной в Копенгагене, особенно после того как в 1927 году Бор наделил вероятностным характером новую физику. Это не противопоставление теологического (Эйнштейн) аргумента математическому (Бор), а столкновение двух противоположных философских концепций.

Эйнштейн и Бор впервые встретились через месяц после Съезда в Комо, когда пятый Сольвеевский конгресс собрал примерно 30 физиков в Брюсселе. В столицу Бельгии прибыли величайшие ученые эпохи, большинство из них уже имели Нобелевскую премию или удостоились ее позже. Сольвеевские конгрессы — это неформальные дискуссии и обмен идеями без ограничений по времени, свойственных другим встречам. Отсюда — фиксированное число приглашенных, их интернациональность и размещение в общем для всех участников месте, роскошном отеле «Метрополь» в центре Брюсселя.

Эйнштейн спускался к завтраку с примером или мысленным экспериментом, чтобы доказать Бору неверность его интерпретации, неверность принципа дополнительности. Нередко Бор тратил много времени, прежде чем отреагировать и найти ответную реплику на поставленную проблему. Однако день всегда заканчивался победой Бора над Эйнштейном, который тем не менее не сдавался и продолжал доказывать ошибку Бора и его последователей.

Каковы аргументы Эйнштейна? Для начала надо отметить, что примерно с 1925 года основной интерес немецкого физика сосредоточился на объединении его теории гравитации (общей теории относительности) с электромагнетизмом, что было никак не связано с проблемами квантовой физики. В то же время некоторые его квантовые разработки, осуществленные с 1924 по 1925 год, подтверждали один из его прогнозов 1905 года, который дольше всего не принимали в научном сообществе. Речь шла о существовании квантов света, или фотонов, которые подтверждали корпускулярную природу света. Эксперименты Артура Комптона (1892-1962) в США, принцип де Бройля и в какой-то степени сам принцип дополнительности свидетельствовали о существовании фотонов.

Согласно Эйнштейну, глубинная ошибка заключалась в том, что копенгагенская интерпретация была в основном вероятностной и неопределенной: то, что квантовый мир открыт и предлагает различные выходы из одной и той же ситуации, принималось как должное. Если отказаться от понятия траектории и сосредоточиться только на начальных условиях заданной системы и возможных конечных состояниях, квантовая физика перестанет быть детерминированной и давать единственное решение проблем.

Надо понимать вопрос вероятности во всей его радикальности, чтобы уяснить неприятие Эйнштейна. Например, метеорологический прогноз всегда вероятностный: никогда точно не известно, какая именно будет погода. Это связано с нашим незнанием, поскольку нет способа вычислить все переменные, влияющие на погоду. Но неопределенность не является ее главным свойством, это всего лишь результат нашего незнания и неспособности к вычислениям. В квантовой механике неопределенность, напротив, свойственна относящимся к ней проблемам, поскольку изучаемая система варьируется в зависимости от того, как она изучается. Показателен пример с фонариком и потоком света (см. предыдущую главу): чтобы измерить, надо участвовать в процессе, и при этом изменяется то, что измеряется.

Бельгия сыграла очень важную роль в развитии физики первой трети XX века. Здесь проходили научные конгрессы, имевшие наибольшее значение для развития атомной и ядерной физики, теории относительности и квантовой механики. Их инициатором был Эрнест Сольве (1838-1922), химик, прославившийся тем, что разработал и запатентовал процесс производства карбоната натрия — материала, используемого среди прочего в изготовлении стекла и мыла. Первый Сольвеевский конгресс состоялся в Брюсселе осенью 1911 года. В нем участвовали более 20 ученых со всей Европы, приехавших обсудить и детально проанализировать новшества в физике. Намерением организатора, Хендрика Антона Лоренца, было создание благоприятной атмосферы, в которой лучшие ученые своего времени могли обмениваться идеями и мнениями о зарождающейся квантовой физике. Пятый Сольвеевский конгресс, проведенный в октябре 1927 года, возможно, был самым важным. Там победила копенгагенская интерпретация квантовой механики, которую Нильс Бор предложил месяцем ранее в Италии. На фото: физики — участники этого конгресса (Бор — первый справа во втором ряду).

Другой способ понять неопределенность, характерную для квантовой механики, — сосредоточиться на корпускулярноволновом дуализме. Согласно принципу дополнительности, электроны могут быть изучены как волны или как корпускулы, и обе интерпретации являются дополнительными, но несовместимыми. Это означает, что если думать об электроне как о корпускуле и как о волне, образы в результате будут полностью различными, хотя должны быть сопоставимыми.

РИС.1

Рассмотрим пример, в котором электрону предстоит пересечь решетчатую поверхность с двумя отверстиями, как показано на рисунке 1. Если мы представим его как корпускулу, электрон сможет пройти только через одно из отверстий, и его конечный пункт будет единственным; если же мы представим себе его как волну, он сможет пройти сквозь всю решетку, породив волновое явление дифракции. Это означает, что волна электрона становится видимой на экране, согласно моделям дифракции.

Для Эйнштейна оба решения были несовместимыми. Но Бор показывал ему, что это не так, поскольку отверстия в решетке и экран — это часть эксперимента, и нельзя рассуждать о поведении электронов без учета этих элементов. Так, если смотреть только на экран, не заставляя электрон проходить через конкретное отверстие, то электрон проходит через оба.

Если считать электрон корпускулой, единственное, что можно вычислить,— это вероятность того, через какое из двух отверстий он пройдет. Если заставить электрон пройти через одно из отверстий, например закрыв второе, дифракция исчезает, но при этом мы воздействуем на электрон до того, как он сможет решить, через какое отверстие ему проходить.

Истина и ясность дополняют друг друга.

Нильс Бор

Так возникает неопределенность, поскольку нельзя заранее определить, через какое из двух отверстий пройдет заданный электрон; можно только вычислить вероятность на основе начальных условий и проверить в конце эксперимента, через какое из них он прошел. Отсюда выражение «Бог не играет в кости». Для Эйнштейна факт, что миру свойственна неопределенность, что нельзя точно предсказать будущее, был ограничением, которое нельзя принять априори, поскольку это могло бы означать, что в мире нет причинности и явления происходят без ясной на то причины.

Таким образом, дебаты между Бором и Эйнштейном становились все более философскими — не потому, что они противостояли науке (или, что хуже, были антинаучными), а именно потому, что ученые спорили, что такое наука и чем она должна быть. Ключевым понятием для Бора было «явление», в то время как для Эйнштейна — «объективная реальность». Позже Бор, верный своему стремлению четко определять используемые термины, уточнил идею «явления», связав ее «исключительно с наблюдениями, полученными при специфических обстоятельствах, в том числе с описанием всего эксперимента».