Самая большая ошибка Эйнштейна

По мере развития субатомных исследований в 1920-е годы становилось все очевиднее, что микромир устроен согласно весьма неожиданным законам. Хотя простые атомы (скажем, атом водорода) покорно следовали боровским принципам, в атомах более сложных (углерода, золота, алюминия) электроны, похоже, вели себя совершенно иначе. Арнольд Зоммерфельд и другие физики предпринимали попытки как-то подлатать теорию, чтобы все в атоме действовало традиционным образом. Например, предлагалось принять, что электроны вращаются вокруг ядра не совсем как планеты вокруг Солнца, аккуратными кругами, лежащими в одной плоскости, а по эллипсам – или же следуя сложным трехмерным траекториям. Но это были только жалкие потуги.

В 1924 году Макс Борн, друг Эйнштейна, профессор знаменитого Гёттингенского университета, сообщил своим лучшим дипломникам и преподавателям-ассистентам, что с него довольно полумер: он хочет разработать теорию, которая объяснит все существующие нестыковки и неясности. Борн был почти ровесником Эйнштейна, и было логично ожидать, что он воспротивится этим неожиданным новооткрытым явлениям, столь отличающимся от всего, чему его учили. Но Борн, обладавший мощным интеллектом, все же как ученый по уровню был ниже Эйнштейна. Впрочем, в данном случае это оказалось даже преимуществом: он не так цеплялся за свои былые достижения, как Эйнштейн. Для Эйнштейна невероятно плодотворным оказался именно классический подход. Борн практически ничего не терял, переходя на совершенно иные позиции.

И Борн, и его студенты знали, что Исааку Ньютону удалось понять механику крупномасштабного, видимого мира, в котором мы живем: мира деревьев, лун, планет, могучих паровозов (которых, впрочем, при Ньютоне еще не изобрели). Теперь же Борн настаивал: задача сегодняшних физиков – проделать то же самое для микромира, где происходят эти удивительные крошечные квантовые скачки. И назвать новую науку (если ее удастся создать) следует квантовой механикой.

Годом позже, в 1925-м, самый талантливый из борновских преподавателей-ассистентов, привлекательный, светловолосый и весьма нервный 24-летний юноша по имени Вернер фон Гейзенберг сумел решить поставленную Борном задачу. Он относился к числу поклонников немецкого романтизма и обожал путешествовать по баварским Альпам в компании мускулистых молодых людей, мечтательно любуясь закатами. После нескольких месяцев работы юношу посетило вдохновение. И вот все его догадки сложились в единое целое. Это произошло ночью, на североморском острове Гельголанд. На эти чистые, продуваемые ветром берега он сбежал, прячась от сенной лихорадки, преследовавшей его на материке.

Гейзенберг добился успеха, оставив всякие попытки выяснить, каким именно образом электроны летают в атоме – по эллипсам, или же высоко возносясь над «северным полюсом» ядра, или же как-то еще. Он знал, что Эйнштейн, его кумир, сделал выдающиеся открытия в области теории относительности, просто определяя, что мы можем измерить касательно того или иного события, и не всегда стремясь при этом вообразить себе подробности того, почему процесс идет именно так (вспомним пробуждение в падающем лифте или умение разглядеть, как невинный кусок радия лучится чистой энергией).

Вернер фон Гейзенберг (1926 г.), год спустя после своего ключевого открытия, сделанного на ветреном острове Гельголанд

Теперь же, для своих собственных целей, Гейзенберг составлял списки всего, что физики могли бы наблюдать, изучая, как электроны при различных условиях порождают свет. Ученые бомбардировали светом атомы (в состав которых входили исследуемые электроны) или каким-то иным образом «тревожили» их. Результаты наблюдений оказывались различны. Гейзенберг намеревался просто записать то, что «входит» в атомы и «выходит» из них, а затем связать то и другое простейшими математическими операциями.

Вот одна простая аналогия. Представьте, что вы отмечаете, в каких костюмах большая труппа актеров спешит за кулисы в антракте (скажем, во время какой-нибудь масштабной оперетты, которые были тогда очень популярны в Берлине), а потом выясняете, как это соотносится с тем, в какой одежде они окажутся, выходя на сцену в начале следующего действия. Понятно, что здесь должны обнаружиться какие-то четкие закономерности. Посмотрев спектакль несколько вечеров подряд, можно заключить, что женщины, одетые принцессами, обычно предстают в следующем акте пейзанками (если сюжет переносится из дворца в деревню). Такой анализ, конечно, имеет свои ограничения, но в рамках подхода, выработанного Гейзенбергом, этого оказывалось достаточно. Незачем предпринимать утомительные попытки разобраться в отдельных переодеваниях, торопливо происходящих за сценой: мы измеряем лишь то, что способны наблюдать, глядя на то, в каких нарядах актеры появляются из-за кулис, и не задумываясь о том, какие причины побудили этих лицедеев переодеться.