Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания - Пол Хэлперн

Атомы в движении

Вена конца 1890-х годов была местом ожесточенных споров в фундаментальной науке. Пока Шрёдингер получал образование, сначала на дому, а с 1898 года в престижной Академической гимназии, два человека, которые впоследствии помогли оформиться его научным интересам, Людвиг Больцман и Эрнст Мах, горячо спорили о реальности атомов.

Когда Больцмана назначили на должность профессора теоретической физики Венского университета в 1894 году, он уже был известен как один из основателей статистической механики (тогда ее называли кинетической теорией). Статистическая механика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь поведения микроскопических частиц и изменения таких макроскопических термодинамических величин, как температура, объем, давление. Чтобы применить такой подход, пришлось допустить, что все газы состоят из огромного количества чрезвычайно малых частиц — атомов и молекул.

Достижения Больцмана сделали термодинамику актуальной темой для исследований, и множество молодых ученых устремились в Вену, чтобы поработать с ним. Физики Лиза Мейтнер, Филипп Франк, Пауль Эренфест писали свои диссертации под его руководством и впоследствии сделали успешную карьеру. Шрёдингер восхищался Больцманом и надеялся поработать с этим великим ученым.

Несмотря на успехи Больцмана, спокойствие его было нарушено появлением Маха, который в 1895 году стал профессором философии Венского университета. Указывая на необходимость проведения большего числа экспериментов, он категорически выступал против атомизма и теории Больцмана. Мах настаивал, что в основе термодинамики должно быть то, что можно воспринять и непосредственно измерить, к примеру тепловой поток. Это была позиция позитивизма — философского направления, отрицающего абстрактное знание и призывающего подтверждать любое утверждение экспериментальными доказательствами. Сравнивая веру в атомы с религиозной верой. Мах полагал, что его подход отличается большей научностью и опирается на эмпирические данные, полученные от органов чувств.

«Если вера в существование атомов имеет столь большое значение, — писал он, — то я отрекаюсь от физического образа мышления, я не желаю быть настоящим физиком, я отрекаюсь от признания научным сообществом. Словом, я с благодарностью отказываюсь от причисления меня к верующим. Я предпочитаю свободу мышления»{15}.

Мах направлял свои язвительные комментарии не только в адрес Больцмана. Даже самые почитаемые физики подвергались его нападкам, если их точка зрения противоречила принципу прямого чувственного восприятия. Мах дерзко раскритиковал одно из основных понятий ньютоновской механики, понятие инерциальной системы отсчета — такой системы, которая покоится или движется прямолинейно и с постоянной скоростью, поскольку ее движение необходимо соотносить с «универсальным вместилищем», называемым «абсолютным пространством». К этому времени Ньютон, особенно в Великобритании, практически приобрел статус святого. Однако само понятие инерции основывалось на чем-то абстрактном — а такую науку Мах не признавал.

Претензия Маха к ньютоновскому определению инерции основывалась на мысленном эксперименте с вращающимся ведром, который Ньютон придумал, чтобы продемонстрировать необходимость абсолютного пространства. Эксперимент заключался в следующем. Представьте себе ведро, наполненное водой не до самых краев и подвешенное к дереву на веревке. Далее вращайте ведро вокруг его оси, пока веревка совсем не закрутится. Одерживайте ведро в таком положении, пока вода не придет в состояние покоя, а затем отпустите его. Оно начнет раскручиваться. Загляните внутрь ведра: вода внутри ведра тоже движется, формируя воронку, а ее поверхность становится сильно вогнутой. Это происходит из-за того, что инерция вынуждает воду вырываться наружу. А так как боковая стенка ведра не позволяет ей вытечь, то внешняя граница воды поднимается. Если смотреть только внутрь самого ведра, игнорируя все, что его окружает, то возникает вопрос, почему вода приняла вогнутую форму. Относительно ведра вода находится в состоянии покоя. Лишь относительно внешнего мира, который Ньютон и назвал абсолютным пространством, вращение воды имеет смысл. Ньютон заключил, что именно вращение воды относительно абсолютного пространства изменяет ее поверхность.

Мах не соглашался с этим, утверждая, что экспериментально доказать существование абсолютного пространства невозможно. Более вероятно, полагал он, что такое поведение воды объясняется каким-либо неучтенным фактором, например совокупным влиянием далеких небесных тел. Так же как вращение Луны вызывает на Земле приливы, совместное притяжение звезд может каким-то образом порождать инерцию. Позже Эйнштейн назвал эту идею «принципом Маха». Этот принцип вдохновил Эйнштейна на создание теории относительности.

Критика Махом Ньютона вдохновила Эйнштейна и других физиков на переосмысление классической механики и подтолкнула к поиску альтернатив. Убеждение Маха в том, что наука должна предоставлять осязаемые доказательства и избавляться от скрытых механизмов, повлияло на Шрёдингера, который с большим интересом читал его работы. Однако его неприятие больцмановских идей атомизма приняло личный оборот. Подверженный резким сменам настроения и стремительно терявший здоровье, в сентябре 1906 года Больцман покончил с собой, находясь на отдыхе с семьей в Триесте.

Студенческие годы

Волею судеб самоубийство Больцмана произошло всего за несколько месяцев до того, как Шрёдингер поступил в Венский университет зимой 1906–1907 годов. Шрёдингер окончил Академическую гимназию с отличными отметками по математике и физике — своим любимым предметам. Первый ученик класса, он мог выбрать любую специальность, но его страстью были уравнения, описывающие окружающий мир. Он хотел изучать теоретическую физику в университете, и Больцман мог бы стать для него прекрасным наставником. Увы, учебу Шрёдингер начал в мрачное время, когда над физической программой сгущались тучи.

Шрёдингер вспоминал: «Старый Венский институт, только оплакавший трагическую смерть Людвига Больцмана… дал мне возможность проникнуть в суть идей этого великого ума. Мир его идей можно назвать моей первой научной любовью. Ни до, ни после него не было человека, настолько меня вдохновлявшего»{16}.

Шрёдингера воодушевляла смелость, с которой Больцман брался за решение фундаментальных вопросов. Он не побоялся применить атомистические идеи к формулировке принципов, регулирующих тепловое поведение Вселенной в целом. Вдохновленный его примером, амбициозный Шрёдингер попытается создать общую теорию, объединяющую все силы природы.

После Больцмана место заведующего кафедрой теоретической физики занял один из его бывших студентов, прекрасный теоретик Фридрих (Фриц) Хазенёрль. Он получил известность, занимаясь изучением электромагнитного излучения движущихся объектов и обнаружив взаимосвязь энергии и массы (хотя и с ошибкой в расчетах) еще до появления знаменитого уравнения Эйнштейна{17}. К студентам он относился дружелюбно и приветливо. Хотя Шрёдингеру и не довелось изучать термодинамику и статистическую механику под началом Больцмана, ему посчастливилось исследовать эти и другие области физики, например оптику, под руководством его высококвалифицированного преемника. Все свидетельства указывают на то, что Хазенёрль был прекрасным учителем. Окрыленный преподаванием Хазенёрля и достижениями Больцмана, Шрёдингер надеялся сделать себе имя на открытиях в области теоретической физики.

Шрёдингер быстро зарекомендовал себя как выдающийся студент. Ганс Тирринг, изучавший физику вместе с ним и ставший его другом на всю жизнь, вспоминал, как, сидя на семинаре по математике, он увидел светловолосого юношу, входящего в аудиторию, и услышал, как другой студент, старый школьный друг последнего, воскликнул в восхищении: «О, это же Шрёдингер!»{18}

Несмотря на теоретический интерес, главный упор в исследовательской университетской работе Шрёдингер делал на экспериментальную часть под руководством Франца Экснера. Докторскую диссертацию Шрёдингер также писал под его началом. Экснер интересовался многочисленными электрическими эффектами, включая феномен атмосферного электричества и электрохимические реакции Он также исследовал свет, цвет и явление радиоактивности Докторская диссертация Шрёдингера называлась «Влияние влажности воздуха на электрические свойства изоляционных материалов». Она носила практический характер, в ней исследовалась электрическая проводимость поверхности изоляторов в сыром воздухе. Будущий теоретик начал свою карьеру с экспериментальной работы в маленькой лаборатории. Он прикреплял электроды к образцам янтаря, парафина и других изоляционных материалов и измерял проходящий по ним ток. Он защитил диссертацию в 1910 году ив 1914 году прошел так называемую процедуру хабилитации (получение высшей академической степени в австрийской системе образования, которая дает право на преподавание), основанную на теоретическом исследовании, касающемся поведения атомов и магнитных полей