В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

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 «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

Часто рассказывают о том, что в мае 1925 года Гейзенберга поразил сильный приступ аллергии, из-за чего он отправился на скалистый остров Гельголанд, чтобы восстановить свои силы. Там он досконально проанализировал с этих позиций все, что было известно о поведении квантов. На острове Гейзенберга ничего не отвлекало, и, после того как аллергия прошла, он смог погрузиться в эту проблему. В своей автобиографической книге «Физика и не только» он описал свои чувства в тот момент, когда числа начали занимать свое место, и рассказал, что однажды в три часа ночи он «больше не смог усомниться в математической цельности и логичности той квантовой механики, на которую указывали [его] расчеты». Он пишет: «Сперва я пришел в возбуждение. У меня возникло такое чувство, словно через призму атомных феноменов я смотрел на их удивительно прекрасную глубину. У меня едва не кружилась голова от того, что теперь мне нужно было исследовать это богатство математических структур, которое так щедро открыла мне природа».

Вернувшись в Геттинген, Гейзенберг три недели готовил свою работу, приводя ее в формат, пригодный для публикации. В первую очередь он отправил ее копию своему старому другу Паули, спросив его, имело ли все это какой-то смысл. Паули встретил статью восторженно, но Гейзенберг был измотан своими исследованиями и сомневался, готова ли работа к публикации. В июле 1925 года он оставил работу Борну, позволив тому распорядиться ею на собственное усмотрение, и отправился дать серию лекций в Лейдене и Кембридже. По иронии судьбы там он решил не рассказывать слушателям о своих новых открытиях, и ученым пришлось ждать, пока новости дойдут до них по старым каналам.

Рис. 6.1. Каждую клетку шахматной доски можно обозначить комбинацией буквы и цифры, например b4 или f7. Квантовомеханические состояния также определяются парами чисел.