Жозе Наварро Фаус
Наука. Величайшие теории: выпуск 3: Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?
Пер. с исп. – М.: Де Агостини, 2015. – 176 с.
ISSN 2409-0069
Наука. Величайшие теории Выпуск № 3, 2015 Еженедельное издание
Издатель, учредитель, редакция: ООО «Де Агостини», Россия
Иллюстрации предоставлены:
AIP Niels Bohr Library, Franck Collection, Nueva York; American Institute of Physics; Archivo privado de la familia Heisenberg; Archivo RBA; Editorial William Kimber; Getty Images; Gerhard Gronefeld; Instituto Cinematografico Danes; Timo Kamph; Lehrstuhl fiir Geschichte de Naturwissenschaften und Technik, Museo Boerhaave, Leiden, Paises Bajos; Melvin A. Miller, Argonne National Laboratory; Universidad de Frankfurt; Universidad de New Hampshire, Ohio; Universidad de Stuttgart; Betty Schultz; Smithsonian Libraries; Ulstein Bilderdienst, Berlin; Wolfgang Pauli-Archiv, Zollikon bei Zurich.
©Jesus Navarro Faus, 2012 (текст)
В течение многих лет Вернер Гейзенберг считался одним из самых демонических представителей западной науки. И это неудивительно, ведь именно он стоял во главе нацистской ядерной программы, к счастью, безуспешной. И все же сотрудничество ученого с преступным режимом не заслонило его огромный вклад в науку. В 1925 году Гейзенберг обобщил беспорядочное на первый взгляд скопление наблюдений в сфере квантовой физики за предыдущие десятилетия, а через два года вывел свой знаменитый принцип неопределенности. Ученый заявил, что наблюдатель влияет на созерцаемую им реальность. Этот принцип и выводы, из него следующие, заставили недоумевать многих ученых, в том числе и Эйнштейна, который, протестуя, писал: «Мне хотелось бы думать, что Луна существует, даже если я на нее не смотрю».
Введение
В 1998 году в Лондоне состоялась премьера спектакля «Копенгаген» по пьесе английского писателя и драматурга Майкла Фрейна. Три главных героя – Нильс Бор, его супруга Маргарет и Вернер Гейзенберг – встречаются в загробном мире и вспоминают эпизоды из своей жизни. В начале спектакля Гейзенберг говорит, что живущие помнят его исключительно как автора принципа неопределенности и участника таинственного разговора с Бором, который состоялся в 1941 году в Копенгагене, когда Дания и большая часть Европы были оккупированы нацистами. Далее ученый замечает, что все понимают (или думают, что понимают) принцип неопределенности, и сожалеет, что никто на самом деле не знает, почему он поехал в Копенгаген. Беседа с Бором прошла без свидетелей, и оба ее участника впоследствии по-разному описывали ее содержание и цели. В пьесе Фрейна эти разногласия раскрываются, а также рассматривается роль ученых в политических и военных конфликтах.
В отличие от пьесы, в которой рассказывается лишь о двух основных моментах в наследии Гейзенберга, мы подробнее поговорим о роли ученого в науке. Гейзенберг входит в плеяду гениальных ученых, которые не только сделали множество открытий, но и заложили прочный фундамент для своих последователей. В конце XIX века многие физики считали, что их наука «закончилась», так как все что можно уже открыто. Когда Макс Планк в 1874 году решил посвятить жизнь физике, один из преподавателей предостерег его: не стоит тратить огромный талант на область, где осталось два-три нерешенных вопроса. К счастью, Планк не последовал этому совету. Через 20 лет, в 1894 году, то же самое утверждал и американец Альберт Майкельсон: он говорил, что физика как таковая «закончилась», и добавлял, что весь прогресс теперь будет связан с повышением точности измерений. Причиной столь пессимистичной оценки будущего физики стал необычайный уровень развития науки, который за сто лет до этого нельзя было и представить. Приведем пару примеров. Во-первых, небольшие отклонения Урана от расчетной орбиты позволили сделать вывод о существовании новой планеты, которая в 1846 году была обнаружена именно в том месте, где и должна была находиться согласно расчетам. Этой планетой был Нептун. Во-вторых, уравнения Максвелла, опубликованные в 1874 году, позволили обобщить свойства электрических и магнитных полей, и с помощью этих уравнений было предсказано существование электромагнитных волн, обнаруженных экспериментально в 1887 году. Вскоре было изобретено радио. И это лишь два из множества достижений в физике XIX века. Многие ученые полагали, что долго сохранять подобный темп развития науки не удастся, однако в последние годы XIX века открытия следовали одно за другим. В 1895 году немецкий исследователь Вильгельм Рёнтген открыл рентгеновское излучение; в 1896 году французский физик Анри Беккерель выявил радиоактивность; в 1897 году англичанин Джозеф Джон Томсон обнаружил электрон.
В апреле 1900 года шотландец Уильям Томсон (больше известный как лорд Кельвин) выступил с докладом о проблемах в изучении эфира и абсолютно черного тела. Эти проблемы он метафорически назвал тучами, омрачавшими теории света и тепла. Однако лорд Кельвин и не представлял себе, что в попытках развеять эти тучи будут созданы две новые физические теории, которые определят границы применимости всей существовавшей науки. Начиная с первых десятилетий XX века эти две новые теории – теорию относительности и квантовую механику – стали называть новой физикой, в противовес «классической физике», к которой были отнесены все более ранние физические теории. При этом слово «классическая» вовсе не означало «устаревшая»: именно эта физика объясняла большинство явлений обычной жизни, использовалась при изучении движения планет, строительстве мостов и так далее. Законы классической физики выполняются всегда, когда речь идет о скоростях, намного меньших скорости света; в противном случае необходимо обратиться к теории относительности. Классическая физика применима и при изучении систем, которые по размерам значительно превышают отдельные атомы – в противном случае ей на смену приходит квантовая механика. Теория относительности и квантовая механика не только определили границы классической физики, но и повлекли за собой радикальный пересмотр понятий, опиравшихся на чисто интуитивные представления о мире. Классические представления о пространстве и времени, волнах и частицах, принципе причинности и других понятиях следовало пересмотреть, отказавшись от всех прошлых идей, предложенных выдающимися философами и учеными прошлого.
Теория относительности (общая и специальная) фактически является творением одного человека, Альберта Эйнштейна, и была создана за довольно короткий период. На формулирование квантовой механики потребовалось намного больше времени и усилий многих ученых, в том числе и Гейзенберга. В 1925 году, когда ему не исполнилось и двадцати четырех, он первым определил формальные основы квантовой механики, за что в 1932 году был удостоен Нобелевской премии. Согласно официальному заявлению Нобелевского комитета, квантовая механика – «универсальный метод решения многочисленных задач, возникших в результате непрерывных экспериментальных исследований в области теории излучения […]; привел к созданию новых понятий и открыл новые горизонты научного мышления […], имеющие первостепенную важность при изучении физических явлений».
В заявлении также отмечено, что Гейзенберг предсказал существование двух аллотропных форм водорода, которые позднее были обнаружены экспериментально. Тем не менее Гейзенберг получил Нобелевскую премию не за открытие принципа неопределенности (самой известной его теории), поскольку он представляет собой всего лишь следствие всего вышеупомянутого. Не говорится в заявлении и о бесконечных прикладных результатах квантовой механики, потому что в те годы их нельзя было и вообразить. Компьютеры, мобильные телефоны, DVD-проигрыватели и так далее – во всех этих электронных устройствах, без которых мы не представляем себе жизни в XXI веке, применяются технологии, основанные на использовании полупроводников, или лазеров, которые, в свою очередь, появились благодаря квантовой механике. Чтобы вы могли себе представить, насколько важную роль играет квантовая механика в повседневной жизни, приведем только один факт: по оценкам, результатом применения квантовой механики в той или иной мере является 30 % валового внутреннего продукта США.