Эйнштейн
Шрифт:
Луи де Бройль [67] — ученик Поля Ланжевена, друга Эйнштейна. Молодой человек из знаменитой и богатейшей семьи французских аристократов страстно увлечен трудами нобелевского лауреата. Он неустанно работает, развивая его выводы. В тот день, когда он представил плоды своих исследований научному руководителю, тот был поражен. Работы де Бройля разметали в пух и прах заключения Эйнштейна.
Вся концепция структуры и возможностей атома получила новое истолкование. Если верить де Бройлю, Эйнштейн заблуждается. Ланжевен отнесся к работам молодого человека с осторожностью и интересом. Осведомился об исследованиях, которые вели другие ученые. Обнаружил, что де Бройль не один поколебал выводы Эйнштейна. В знаменитом Геттингенском университете Вернер Гейзенберг, двадцати трех лет от роду, пришел к тому же выводу, хотя и другим путем. В это же время в Кембридже, не сговариваясь с двумя коллегами,
67
Луи де Бройль (1892–1987) — французский физик, удостоенный Нобелевской премии 1929 года по физике за открытие волновой природы электрона. После службы в армии в годы
Поль Дирак [68] , тоже двадцати трех лет, сделал точно такие же выводы. Эйнштейновское кредо, касающееся квантовой теории, содержит неточности, его блестящие умозаключения приблизительны, к ним приплелись ошибки и противоречия. В Швейцарии молодой австрийский физик Эрвин Шрёдинген получил те же результаты. И тем не менее все эти ученые умы восхищались Эйнштейном. Вместо того чтобы свергнуть едва установленную статую, они хотели внести свою лепту в создание новой физики. Они считали Эйнштейна своим духовным наставником. Но набросили ему на плечи мантию Моисея, оставшегося на том берегу Иордана, которому заказана Земля обетованная.
68
Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) — английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года (совместно с Э. Шрёдингером). Член Лондонского королевского общества (1930), а также ряда академий наук мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР (1931), Национальной академии наук США (1949) и Папской академии наук (1961). Работы Дирака посвящены квантовой физике, теории элементарных частиц, общей теории относительности. Он является автором основополагающих трудов по квантовой механике (общая теория преобразований), квантовой электродинамике и квантовой теории поля. Предложенное им релятивистское уравнение электрона позволило ввести представление об античастицах.
Начали выходить статьи, ставившие под вопрос заключения нобелевского лауреата или стремящиеся их подправить. Каждый бряцал оружием. Умы пришли в возбуждение. Перед лицом молодой гвардии Эйнштейн предстал военачальником без армии. Его гордость была уязвлена, однако он не отступил под прикрытие своей уверенности. Он согласился на встречу с Гейзенбергом и принял его дважды, с разницей в год. Однако при каждой встрече оба отстаивали свою позицию. Тепла не ощущалось. Гейзенберг гнул свою линию, Эйнштейн пытался его сбить. Любопытно, что аргументы Эйнштейна основывались не на четком анализе трудов его оппонентов, а попросту на «интуиции». Эйнштейн осуждал новую квантовую физику, приводя аргументы, которые насмешили бы его 20 лет тому назад.
В чем смысл? В чем суть спора, занимавшего исследователей? В своей статье от 1905 года Эйнштейн высказал предположение о том, что световые волны представляют произвольным образом кванты света, наличием и количеством которых определяется интенсивность светового излучения.
Позже физик Нильс Бор [69] , близкий друг Эйнштейна, распространил структуру света на структуру атома и объединил их.
Атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны. Эти электроны обладают энергией, различающейся в зависимости от орбиты, по которой они следуют. Переходя с орбиты на орбиту, они могут терять энергию, и эта энергия преобразуется в свет, единицей которого является фотон. Чем больше количество выпущенных фотонов, тем ярче свет.
69
Нильс Хенрик Давид Бор (1885–1962) — датский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1922), присужденной за создание квантовой теории строения атома.
Возникает вопрос: когда же это происходит и возможно ли предвидеть это событие? Неужели излучение совершенно непредсказуемо? Или же его возникновение подчиняется еще неведомому закону, который только предстоит открыть? Эйнштейн склонялся ко второму варианту. Он считал, что, хотя никто не может предсказать подобное физическое событие, впоследствии будет создана теория, которая его подтвердит. Надо только продолжать исследования. Структура атома, излучение света не могут возникать в неопределенности и хаосе. Эйнштейн утверждал, что Вселенная строится по определенным правилам. Нет ничего произвольного. Надо только найти ключ.
Де Бройль и его молодые коллеги по всей Европе не могли смириться с этим смутным утверждением, лишенным научной основы, построенным на одной лишь интуиции. Исследователи определили новую механику атома и назвали ее «волновой механикой». Это определение делало ставку на волновые способности атомных частиц. Парадокс в том, что этот вывод походил на открытие Эйнштейна, касающееся света. Молодая гвардия «просто-напросто» распространила его на материю. Известно, что свет способен к преломлению. Из этого они заключили, что и материя к этому способна!
Было отмечено, что излучение частиц света, интенсивность и частота лучей произвольны. Но при этом сохраняли убеждение в том, что положение атомных частиц, траектория электронов повинуются четким правилам. Это одна из основ механистической физики. Теория Гейзенберга смела эту уверенность. Структура материи, структура атома могут быть определены только испускаемым излучением. Механистическая физика была похоронена квантовой, или волновой, механикой. С этим еще Эйнштейн со своей «теорией квантов света» мог смириться. Но
Бор объяснил: мы умеем только измерять последствия этих «событий». Эти наблюдаемые последствия заключены в испускаемом свете, а не в гипотетической траектории породившего его электрона. Эйнштейн еще мог согласиться с этой теорией Бора. Но вот мысль о произвольности он отвергал. По Бору, никакой закон никогда не сможет предсказать частоту и интенсивность света, испускаемого частицей. Эйнштейн не мог решиться на теорию, которая принимала бы за постулат необъяснимое, непросчитываемое, игру случая. Бор, Гейзенберг и их коллеги считали понятие случайности фундаментальным элементом, на котором можно выстроить физику Нового времени. На их взгляд, элементарная структура — уравнение с двумя неизвестными. Зная одно, невозможно вычислить другое.
Эйнштейн не мог принять такого приговора, осуждающего на неведение. Еще ни одно уравнение не смогло определить появление квантового события. Значит, никто не сумел его найти, а не то что оно вовсе не существует. По мнению Эйнштейна, ко всемуможно подобрать уравнение. Во Вселенной нет ничего случайного. Эйнштейн, великий Эйнштейн позже даст глобальный ответ на эти вопросы в форме теории, которая объединит все законы физики. Эйнштейн откроет «теорию единого поля». Окончательную концепцию, которая объяснит все природные явления. Эта теория провалится.
На Конгрессе Сольвея в октябре 1927 года, том самом конгрессе, который прославил Эйнштейна в 1911 году, разыграется драма. Борьба неравна. Одинокий Эйнштейн, замкнувшийся в неодобрительном молчании, смотрел, как они сменяют друг друга на трибуне — бойцы молодой гвардии квантовой механики, под руководством двух видных ученых — Бора и Борна [70] . Они не сомневаются в своей убедительности, в своей победе. Их заключения водворяют новую физику, превосходящую ту, что «выдумал» Эйнштейн. Однако они подчеркивают тот факт, что их теория является лишь продолжением, завершением эйнштейновской. Эйнштейн не верит своим ушам. Когда он нарушил молчание, молодые оппоненты разнесли его аргументы в щепки. Собеседники-иконоборцы по-прежнему уважительно относятся к мэтру. Но в любезности их ответов сквозит тон надгробных речей во время похорон по первому разряду. С отчаяния, не зная, что отвечать, он отмел выводы своих противников фразой, ставшей знаменитой: «Бог не играет с миром в кости». Эта фраза повергла в изумление и вызвала непонимание даже у самых близких ему людей. Для них никакого Бога в квантовом мире быть не могло. Неужели Эйнштейн выжил из ума? Неужто он слишком стар в свои 47 лет, чтобы подвергнуть сомнению собственные идеи? При чем тут Бог, когда речь о материи?
70
Макс Борн (1882–1970) — немецкий физик. Объединив идеи Эйнштейна с математическим подходом Минковского, Борн открыл новый упрощенный метод вычисления массы электрона. Оценив эту работу, Минковский пригласил Борна в Геттинген. Закончив в 1909 году теоретическое изучение теории относительности, Борн стал лектором в Гёттингене. Здесь он исследовал свойства кристаллов в зависимости от расположения атомов. В 1915 году Борн стал ассистент-профессором теоретической физики у М. Планка в Берлинском университете. Во время Первой мировой войны, несмотря на свое отвращение к войне, Борн проводил военные исследования по звукометрии и давал оценку новым изобретениям в области артиллерии. Именно во время войны началась его дружба с Эйнштейном. Кроме физики, этих двух людей объединяла любовь к музыке, и они с удовольствием исполняли вместе сонаты — Эйнштейн на скрипке, а Борн на фортепьяно. После войны Борн продолжал исследования по теории кристаллов, работая вместе с Фрицем Габером над установлением связи между физическими свойствами кристаллов и химической энергией составляющих их компонент (цикл Борна — Габера). Когда Макс фон Лауэ выразил желание работать с Планком, Борн согласился поменяться с ним временно постами и отправился в 1919 году во Франкфуртский университет, чтобы занять место профессора физики и директора Института теоретической физики. Вернувшись через два года в Геттинген, он стал директором университетского Физического института. Разрабатывал математические основы квантовой теории. Именно вклад Борна в квантовую теорию принес ему Нобелевскую премию. К 1920-м годам большинство физиков были убеждены, что всякая энергия квантуется, однако первоначальная квантовая теория оставляла нерешенными множество проблем. Борн хотел создать общую теорию, которая охватывала бы все квантовые эффекты. В 1925 году ассистент Борна Вернер Гейзенберг сделал важнейший шаг в решении этой задачи, предположив, что в основе всех атомных явлений лежат определенные математические принципы. Хотя сам Гейзенберг не смог разобраться в математических основаниях найденных им соотношений, Борн понял, что Гейзенберг пользовался матричными операциями. С одним из студентов, Паскуалем Иорданом, Борн формализовал подход Гейзенберга и опубликовал результаты в этом же году в статье «О квантовой механике». Термин «квантовая механика», введенный Борном, должен был обозначать новую высоко математизированную квантовую теорию, развитую в конце 1920-х годов. В 1926 году Эрвин Шрёдингер развил волновую механику, содержащую формулировки, альтернативные квантовой механике, которая, в свою очередь, как он показал, была эквивалентна формулировкам матричной механики. Борновское описание рассеяния частиц (борновское приближение) оказалось крайне важным для вычислений в физике высоких энергий. Вскоре после опубликования борновского приближения Гейзенберг обнародовал свой знаменитый принцип неопределенности. Статистическая интерпретация квантовой механики развивалась дальше Борном, Гейзенбергом и Бором; поскольку Бор, который жил в Копенгагене, проделал большую работу по этой интерпретации, она стала известна как копенгагенская интерпретация. Хотя ряд основателей квантовой теории, включая Планка, Эйнштейна и Шрёдингера, не соглашались с таким подходом, большинство физиков приняли копенгагенскую интерпретацию как наиболее плодотворную. Борн и Эйнштейн вели длительную полемику в письмах по этому вопросу, хотя фундаментальное научное расхождение никогда не омрачало их дружбы.