Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

тех летних месяцев 1925 г., когда Эренфест заставил разговаривать двух молодых людей с дополняющими друг друга знаниями и умениями, – в январе того же года – двадцатилетний Крониг, обучавшийся до того в США, приехал в немецкий Тюбинген, чтобы поучиться у работавших там признанных лидеров, к числу которых относился и уже упоминавшийся Ланде. Сразу по прибытии Кронига Ланде показал ему только что полученное от Паули письмо с обсуждением идеи четвертого квантового числа, которое необходимо приписать электрону для объяснения спектров. Паули писал даже, что это новое квантовое число должно принимать только два значения. Крониг необычайно воодушевился и тем же вечером изобрел концепцию спина электрона. Картина включала (а как можно было обойтись без этого?) представление о вращающемся электроне. Часть спектров Кронигу удалось объяснить на основе этих идей (с включением в схему того самого множителя 2), но в части явлений его теория давала ровно вдвое большее предсказание, чем наблюдалось в экспериментах. Крониг, однако, не падал духом, тем более что на следующий день ожидался приезд самого Паули. Тот действительно приехал. Идеи Кронига показались ему остроумными, но не имеющими отношения к реальности по двум причинам: чехарды с множителем 2 и той проблемы, что по всем мыслимым оценкам поверхность вращающегося электрона обладала бы скоростью во много – в сотни – раз больше скорости света[234]. Через несколько недель Крониг добрался до Бора и Гайзенберга в Копенгагене; оставались считаные месяцы до открытия Гайзенбергом первой полностью рабочей версии квантовой механики[235]. Бор и Гайзенберг встретили идеи Кронига прохладно, выдвинув примерно те же возражения, что и Паули. Разочарованный Крониг оставил свою теорию спина. Когда в ноябре вышла та самая статья Уленбека и Гаудсмита, которую Эренфест не стал отзывать из печати, Гайзенберг и Бор задумались о спине всерьез. В самом начале следующего, 1926 года появилось уравнение Шрёдингера (вторая полностью рабочая версия квантовой механики), а в феврале Томас (23 года), приехавший в Копенгаген из Лондона на имевшийся у него грант для путешествий, придумал, как применить специальную теорию относительности, чтобы поправить дело с множителем 2. Только после этого, в марте 1926-го, Паули признал идею спина – через 14 месяцев после неприятия идей Кронига. Гаудсмит и здесь прекрасен: в связи с юбилеем научной деятельности Лоренца, продолжает он,

…Бор, Эйнштейн и многие другие великие ученые съехались в Лейден. Бор к тому времени уже видел нашу заметку и проявил большой интерес. Каждый день мы встречались – у нас были посиделки с Бором, Эйнштейном и Эренфестом дома у Эренфеста по проблеме спина и всего прочего. Там мы много всего узнали. ‹…› Когда Бор и Эйнштейн разговаривали друг с другом у Эренфестов, я не понимал ни слова.

У электрона нет поверхности

Настоящая эпоха Sturm und Drang в изучении устройства материи!

Как бы то ни было, Бор совершил одну ошибку. Вместо Уленбека он пригласил в Копенгаген меня, чтобы посмотреть, смогу ли я там что-нибудь выучить. Из этого, разумеется, ничего не получилось, и через шесть недель он вручил мне билет первого класса на поезд обратно в Гаагу. Но в Копенгагене был молодой человек, Томас, который глубоко знал теорию относительности. Пока я еще был там, он разобрался с этим гайзенберговым множителем 2 … и все оказалось в порядке.

А вот кто никак не желал признавать спин, так это Паули. Бор тогда сказал: «По дороге домой сделайте остановку в Гамбурге и объясните Паули про множитель 2». Я попробовал так и сделать, но, поскольку сам я этого по-настоящему не понимал, я, естественно, не смог ничего объяснить Паули. ‹…› Когда я вернулся, Эйнштейн все еще был в Лейдене, и мне пришлось объяснять и ему тоже, что вышло даже еще хуже. У меня ничего не получилось; но позже мне пришла открытка от Паули, что он прочел работу Томаса и теперь в нее верит.

В течение года после этого не кто иной, как Паули, разработал теорию спиноров для трехмерного пространства (сейчас всех учат фигурирующим там матрицам Паули); спиноры удалось внедрить в уравнение Шрёдингера, и теория спина электрона получила достаточно солидную основу, хотя все еще соединяла различные понятия несколько эклектически. Более последовательный и более точный взгляд на вещи возник после того, как в начале 1928 г. появилось уравнение 25-летнего на тот момент Дирака.

Как мне кажется, возражения людей, внесших определяющий вклад в создание квантовой механики, против попыток ввести спин электрона были не в последнюю очередь вызваны их общим настроем на то, чтобы отвергать всякую наглядность как часть объяснения, потому что наглядность уже столько раз заводила в тупик; первые же представления о спине так или иначе были связаны с вращающимся электроном. Квантовую механику удалось создать, отбросив все «очевидные» соображения. В конце концов она включила в свой формализм и спин, но только не как вращение, а как нечто, связанное со спинорами.

Признания и литературные комментарии

Принцип неопределенности в качестве фундаментального высказывания об устройстве мира вообще-то требует пояснений относительно того, в каком смысле неопределенность. Этот не самый простой вопрос имеет разнообразные аспекты, которые время от времени обсуждаются и поныне; я позволил себе обойтись интуитивным пониманием неопределенности. Говоря, что спиноры – это наборы, состоящие из указанного количества чисел, я обошел молчанием тот факт, что это комплексные числа. Обозначение ħ, появившееся в книге [11], не сопровождалось там пояснениями; Дирак вообще не отличался склонностью к пространным рассуждениям. Из-за этого, в частности, его «Воспоминания о необычайной эпохе» [12] читаются без лишних эмоций, но зато точно передают размышления автора о пути, приведшем его к фундаментально важным достижениям.

Книга Пономарева [22] – настоящая энциклопедия полезных сведений об истории квантовой механики, а также о ее приложениях к описанию конкретных систем. Кроме этого, мне кажутся ценными и мысли автора о науке, продвигающейся вперед в условиях потери наглядности. Я дорожу экземпляром четвертого, дополненного издания этой книги, подаренным мне автором. (Неоспоримых достоинств книги не умаляют спорадические неточности в отношении персоналий.) Взгляд на квантовые свойства, представленный на этой и следующей прогулках,