В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

В те дни, когда матричная механика и квантовая алгебра совершали свой относительно негромкий дебют на научной сцене, в сфере квантовой теории происходило еще множество всего интересного. Казалось, европейская наука бурлила от идей, для которых настало подходящее время: тут и там появлялись всевозможные концепции, всплывавшие не всегда в логичном порядке и зачастую «открываемые» одновременно разными учеными. К концу 1925 года уже появилась теория де Бройля о волнах электрона, но окончательные эксперименты, которые бы доказали волновую природу электрона, еще не были проведены. Независимо от работы Гейзенберга и его коллег это привело к другому открытию – квантовой математике, основанной на волновой идее.

Эта идея исходила от де Бройля через Эйнштейна. Работа де Бройля могла годами оставаться незамеченной – ее бы считали не более чем интересным математическим трюком, не имеющим под собой физического основания, – если бы на нее не обратил внимания Эйнштейн. Именно Эйнштейн рассказал об этой идее Борну и тем самым запустил экспериментальную работу, которая доказала реальность волн электрона. Именно в одной из статей Эйнштейна, опубликованной в феврале 1925 года, Эрвин Шрёдингер прочитал отзыв ученого о работе де Бройля: «Уверен, это не просто аналогия». В то время физики внимали каждому слову Эйнштейна, и упоминания идеи де Бройля в статье этого великого человека Шрёдингеру хватило для того, чтобы начать исследование с целью выявить следствия принятия ее на веру.

Шрёдингер выделялся из физиков, стоявших у истоков новой квантовой теории. Он родился в 1887 году и внес свой главный вклад в науку в возрасте тридцати девяти лет – весьма солидном для оригинального научного исследования такой значимости. Он получил докторскую степень еще в 1910 году и с 1921-го был профессором физики в Цюрихе – университете, который считался оплотом научных приличий и вовсе не был похож на колыбель новых революционных идей. Но, как мы увидим, суть его вклада в квантовую теорию была как раз ожидаема в середине 1920-х годов от представителя старшего поколения. В то время как геттингенская группа, а еще в большей степени Дирак сделали квантовую теорию более абстрактной и освободили ее от повседневных физических идей, Шрёдингер попытался восстановить понятные физические концепции, объяснив квантовую физику с позиции волн, которые знакомы нам из окружающего мира. До конца жизни он боролся с новыми идеями о неопределенности и мгновенном перемещении электронов из одного состояния в другое. Он дал физике бесценный инструмент для решения проблем, но в концептуальном отношении его волновая механика стала шагом назад, возвращением к идеям XIX века.

Де Бройль указал направление, предположив, что «орбиты» электронов вокруг ядра атома должны вмещать целое число длины волны электрона в каждую орбиту, а потому промежуточные орбиты «запрещены». Шрёдингер использовал математику волн, чтобы рассчитать энергетические уровни, разрешенные в такой ситуации, и сначала, к своему неудовольствию, получил результат, который не соответствовал известным паттернам атомного спектра. На самом деле он действовал правильно: единственной причиной его первой неудачи стало то, что он не учел спин электрона, что вряд ли удивительно, ведь в те дни 1925 года концепция спина еще не была предложена. Шрёдингер вернулся к своей идее, когда его попросили провести коллоквиум для разъяснения работы де Бройля, и именно тогда он понял, что если выбросить из расчетов релятивистские эффекты, получается ответ, который прекрасно соответствует наблюдениям за атомами в тех ситуациях, где релятивистские эффекты не представляют особой важности. Как впоследствии показал Дирак, спин электрона – это по сути своей релятивистское свойство (которое не имеет ничего общего с вращением объектов в привычном нам мире). Таким образом, великий вклад Шрёдингера в квантовую теорию был опубликован в 1926 году в качестве серии статей, вышедших вслед за работами Гейзенберга, Борна и Йордана, а также Дирака.

Уравнения в вариации Шрёдингера на квантовую тему принадлежат к той же семье уравнений, которые описывают реальные волны в обычном мире – волны на поверхности океана или звуковые волны, которые разносят звук в атмосфере. Мир физики встретил их с энтузиазмом, особенно потому, что они казались знакомыми и очень удобными. Два подхода к решению одной и той же проблемы были диаметрально противоположны. Гейзенберг умышленно отказался от любой картины атома и работал только с величинами, которые можно было измерить экспериментальным путем, однако в основе его теории лежала идея, что электроны являются частицами. Шрёдингер оттолкнулся от ясной физической картины атома как «реальной» сущности, положив в основу своей теории идею о том, что электроны являются волнами. Каждый из подходов привел к появлению набора уравнений, точно описывающих поведение вещей, которые подлежат измерению в квантовом мире.