В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Вернер Гейзенберг родился в Вюрцбурге 5 декабря 1901 года. В 1920 году он поступил в Мюнхенский университет, где изучал физику под руководством Арнольда Зоммерфельда, который был одним из ведущих физиков своего времени и принимал деятельное участие в развитии модели атома Бора. Гейзенберг сразу же погрузился в исследования по квантовой теории и поставил себе задачу найти квантовые числа, которые могли бы объяснить расщепление спектральных линий на пары или дублеты. За несколько недель он нашел ответ

весь процесс можно объяснить, используя полуцелые квантовые числа. Молодой студент, у которого не было предубеждений, нашел самое простое решение проблемы, однако его коллеги и учитель Зоммерфельд пришли от этого в ужас. Зоммерфельд был погружен в модель Бора, и для него целые квантовые числа были аксиомой, поэтому он быстро отверг идеи молодого студента. Страх ученых заключался в том, что, если ввести в уравнения полуцелые значения, это откроет путь к четвертичным, затем к 1/8, 1/16 или так далее, что уничтожит фундамент квантовой теории. Но они ошибались.

Через несколько месяцев взрослый и более опытный физик Альфред Ланде выдвинул ту же идею и опубликовал ее. Позже выяснилось, что полуцелые квантовые числа исключительно важны для полноценной квантовой теории и играют ключевую роль в описании спина электрона. Частицы, имеющие целый или нулевой спин (например, фотоны), подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна, тогда как имеющие полуцелый спин (1/2, 3/2 и так далее) подчиняются статистике Ферми - Дирака. Полуцелый спин электрона напрямую связан со структурой атома и Периодической таблицей химических элементов. Верным остается то, что квантовые числа изменяются только на целое число, но переход от 1/2 к 3/2 или от 5/2 к 9/2 настолько же допустим, как и переход от 1 к 2 или от 7 к 12. Таким образом Гейзенберг упустил шанс записать на свое имя эту идею в квантовой теории, однако суть в том, что молодые умы, необходимые при создании квантовой теории, в 1920-х потребовались вновь, ведь молодые люди не были отягощены «всем известными» существующими представлениями и готовы были сделать следующий шаг вперед. Гейзенберг, разумеется, впоследствии реабилитировал себя.

Проработав семестр под руководством Борна в Геттингене, где он посетил знаменитый

Эйнштейн выразил те же сомнения и в письмах к Борну, опубликованных в сборнике «Корреспонденция Борна и Эйнштейна». Приведенная здесь цитата взята со страницы 23 издания Macmillan.

Концептуальное развитие квантовой механики. С. 196.

«Фестиваль Бора», Гейзенберг вернулся в Мюнхен и в 1923 году, когда ему не было еще и двадцати двух, получил докторскую степень. Так же не по годам развитый бывший ученик Зоммерфельда и близкий друг Гейзенберга Вольфганг Паули в то время как раз дорабатывал последние месяцы в качестве ассистента Бора в Геттингене, и в 1924 году Гейзенберг сменил его на этом посту. Эта позиция дала ему возможность несколько месяцев поработать с Бором в Копенгагене, и к 1925 году этот талантливый физик стал больше, чем кто-либо, способен разработать логичную квантовую теорию, которой так ждали физики - хоть и не в такие сжатые сроки.

Прорыв Гейзенберга был основан на идее, заимствованной у научной группы в Геттингене, - никто теперь не знает, кто выдвинул ее первым. В соответствии с ней физическая теория должна рассматривать лишь то, что можно наблюдать экспериментально. Идея может показаться банальной, но при этом она является прорывной. Например, опыт «наблюдения» за электронами в атоме не дает нам картину маленьких твердых шариков, вращающихся вокруг ядра, ведь невозможно увидеть орбиту, а наблюдения спектральных линий показывают нам, что происходит с электронами, когда они переходят с одного энергетического уровня (или, говоря словами Бора, орбиты) на другой. Все наблюдаемые свойства электронов и атомов показывают два состояния, и понятие орбиты по сути приклеено к наблюдениям посредством аналогии с тем, как происходит движение в повседневном мире (вспомните о хливких шорьках). Гейзенберг избавился от сумятицы повседневных аналогий и принялся упорно работать над математическим описанием не одного «состояния» атома или электрона, а связей между парами

состояний.

Прорыв в Гельголанде