Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

Первый революционный шаг сделал немецкий физик Макс Планк. Пытаясь исправить один из серьёзных недостатков классической теории, он в 1900 году понял, что требуется совершенно новый подход. Планк предположил, что излучение, например свет, испускается «порциями», а не непрерывно, как считалось ранее. Хотя сам он полагал, что лишь «заделывает дыры» в одном из уравнений классической теории, придуманные им «порции», или, как он их назвал, кванты, оказались чрезвычайно важны и вскоре заняли центральное место в описании микромира.

Здесь уместно отметить следующее. За несколько лет до этого было показано, что свет имеет волновую природу. Как же он может одновременно состоять из частиц – квантов? В 1923 году французский принц Луи де Бройль преодолел это затруднение – он ввёл представление о корпускулярно-волновом дуализме, причём не только для излучения, но и для вещества. Де Бройль показал, что взаимодействие электронов с излучением легче всего понять, если считать, что электроны ведут себя и как частицы, и как волны.

Поначалу эта идея показалась учёным абсурдной. Как электрон может быть волной? Но де Бройль принадлежал к королевскому роду, и открыто смеяться над его диссертацией, в которой содержалось такое предположение, было неловко. С другой стороны, как будет выглядеть комиссия, если после защиты выяснится, что это злая шутка? Казалось, ситуация безвыходная – диссертацию нельзя ни принять, ни отвергнуть. Тогда решили обратиться к эксперту – Альберту Эйнштейну, и каково же было всеобщее изумление, когда выяснилось, что идея ему чрезвычайно понравилась и показалась справедливой.

Эйнштейн не ошибся – в 1927 году Дэвиссон и Джермер из Соединённых Штатов экспериментально доказали, что электроны обладают волновыми свойствами. Направляя пучок электронов на кристалл, они наблюдали на экране картину из светлых и тёмных полос; такая картина могла получиться, только если электроны вели себя как волны. Позднее было показано, что частицы любого вида дают такую же картину – вещество действительно обладает волновыми свойствами.

Математическую форму представлениям о корпускулярно-волновом дуализме придали в 1926 году Эрвин Шрёдингер и независимо от него Вернер Гейзенберг. Но созданная ими теория отличалась от всех других – она была вероятностной. Из неё следовали не точные и строгие предсказания, а лишь вероятности происхождения тех или иных событий. Американские телезрители знакомы с такими вероятностными предсказаниями. Перед каждым большим праздником по радио и телевидению сообщают, что в выходные дни на автодорогах погибнут, скажем, около 700 человек. После праздников оказывается, что число жертв составляет действительно около 700. Конечно, невозможно заранее сказать, кто именно погибнет; точно так же квантовая теория позволяет предсказать, что три атома из десяти в ближайшие 10 минут претерпят радиоактивный распад, хотя не даёт возможности узнать, какие именно.

Эйнштейн внёс важный вклад в квантовую теорию на раннем этапе её развития, но не мог согласиться с тем, что за ней останется последнее слово. Ему казалось, что она в лучшем случае представляет собой лишь приближение, и рано или поздно квантовую теорию, сменившую непригодную для описания микромира классическую, заменит более глубокая теория. Дело не в том, что квантовая теория не позволяла получить точные значения – этот аспект у него возражений не вызывал. Беспокоили Эйнштейна философские выводы – то, что она говорила нам о физическом мире. Выходило, что ничего нельзя вычислить точно, можно только определить вероятности, т.е. квантовая теория – статистическая. При её помощи можно предсказать, что в среднем произойдёт с пучком частиц, но не с каждой отдельной частицей пучка. Эйнштейн был уверен, что более глубокая теория позволит определять и судьбу отдельных частиц.

Нильс Бор – главный сторонник квантовой теории, несмотря на дружбу с Эйнштейном, никогда не разделял этого мнения. Более того, их взгляды на квантовую теорию были диаметрально противоположны, а спор о её философских следствиях растянулся на долгие годы. Не совсем ясную позицию Бора понять было нелегко (теперь её называют копенгагенской интерпретацией). В её основе лежат сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом принцип неопределённости, из которого следует, что на атомном уровне имеется некоторая «размытость»» и предложенный Бором принцип дополнительности, поясняющий, как следует рассматривать элементарные частицы. Например, электрон ведёт себя то как частица, то как волна. Принцип дополнительности гласит, что эти аспекты дополняют друг друга, т.е. могут существовать только по отдельности.

Один из вопросов, который следует из копенгагенской интерпретации, звучит так: «Что мы понимаем под реальностью?». Квантовая механика даёт ответ, в котором как будто мало толку – по крайней мере, с точки зрения того, что мы называем здравым смыслом. Большинство из нас считает, что объективный мир существует вне нас, т.е. вне зависимости от того, регистрируем ли мы происходящие в нём события. В копенгагенской же интерпретации этот вопрос трактуется иначе; всё в окружающем физическом мире зависит от способа измерения; этот мир не существует до выполнения измерения. Например, электрон может быть волной или частицей в зависимости от способа измерения. Более того, положение и импульс частицы (произведение её массы на скорость) зависят от того, как мы их измеряем.

Рассмотрим последнее утверждение подробней, Оно следует из принципа неопределённости, в соответствии с которым нельзя одновременно измерить импульс и координату частицы. При измерении импульса нарушается положение частицы – она находится уже не там, где раньше. Но тогда возникает вопрос, существуют ли в действительности положение и импульс? Потенциально – да, но каждый из них обретает реальность только после измерения, а так как в каждый момент можно измерить только один из этих параметров, приходится говорить, что другой не существует. Иными словами, вне нас нет объективной реальности – она появляется только тогда, когда мы выполняем измерения.

Изображения от электронов, проходящих через одну щель (слева) и через две щели (справа). Высота кривой соответствует интенсивности излучения, попадающего на экран

Можно взглянуть на это и с другой стороны, если вспомнить о принципе дополнительности. Эксперимент, который позволяет понять некоторые его следствия, известен как опыт с двумя щелями. Предположим, что на экран, расположенный позади щели, направлен пучок электронов. Когда щель одна, большинство электронов проходит в неё в виде частиц; несколько из них, возможно, отклонится у краев щели, но мы ими пренебрежём. Получаемая на экране картина показана на левом рисунке. Теперь предположим, что рядом с первой щелью на некотором расстоянии от неё установлена вторая и электроны падают сразу на обе. В этом случае, как ни странно, картина получается совершенно иной (см. правый рисунок).

Продолжим наш опыт. Теперь уменьшим интенсивность пучка настолько, чтобы электроны вылетали из источника по одному, тогда, вроде бы, должно быть известно наверняка, через какую щель – A или B – прошёл каждый электрон. Однако на практике оказывается, что никакой разницы нет; если проводить опыт достаточно долго, результат будет таким же, как и в эксперименте с двумя щелями. Как же так? Ведь чтобы получилась такая картина, электрону в момент прохождения одной щели должно быть известно, открыта другая или закрыта! Если она открыта, электрон попадёт в одну точку экрана, если закрыта – в другую. Но откуда он знает, открыта или закрыта другая щель? Чтобы ответить на этот вопрос, приходится предположить, что электрон – это волна, которая размазывается перед тем, как попасть в установку, и проверяет, в каком состоянии находится вторая щель, т.е., по сути, один и тот же электрон проходит через обе щели. Но поскольку электрон – это и частица, физически представляется, что он может проходить либо через одну, либо через другую щель.

Попробуем перехитрить электрон. Предположим, что у щелей установлено такое устройство, которое позволяет определить, через какую из них электрон проходит на самом деле. Но здесь в игру вступает принцип неопределённости – проводя измерения, мы вмешиваемся в процесс и влияем на его результат. Пытаясь определить, проходит ли электрон через щель A, мы воздействуем на него, и он проходит через щель B.

Непривычность этого и ему подобных опытов отталкивала Эйнштейна. Он резко выступал против квантовой механики, за что подвергался суровой критике. Но аргументы Эйнштейна основывались на глубоком знании теории и отнюдь не были пустыми придирками. Он очень интересовался этой теорией и, как говорят, постоянно носил с собой книгу Дирака «Принципы квантовой механики». Эйнштейн прилагал массу усилий, чтобы выявить недостатки этой теории. Однажды он сказал: «Вы даже не представляете, с каким упорством я пытался найти удовлетворительный математический подход к квантовой теории, но пока безуспешно».