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.
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.
Может показаться странным, что большинство отцов-основателей атомной физики и квантовой механики были немцами. Однако это легко объяснить тем фактом, что в начале XX века Германия лидировала в мировой науке. Гораздо удивительнее другое: все важные открытия были сделаны в самые трудные для страны годы. После Первой мировой войны большинство немецких ученых продолжали свою работу, но финансирование исследований из-за тяжелой экономической ситуации было крайне затруднено. И несмотря на это квантовая механика была успешно создана и нашла применение.
Веймарская республика, образованная после Первой мировой войны, не пережила пришествия нацизма в 1933 году. И мы подходим ко второму важному эпизоду в жизни Гейзенберга, о котором рассказывается в пьесе Фрейна, – речь о визите ученого в Копенгаген в годы нацистского господства в Европе. Споры о причинах этой встречи не умолкают до сих пор. Одни считают, что Гейзенберг хотел получить через Бора информацию о ядерной программе союзников, другие – что он, напротив, собирался информировать самих союзников о немецкой программе. А быть может, он намеревался вызвать в научном мире дискуссию о возможности использования ядерного оружия, за которой мог последовать международный бойкот подобных видов вооружения? По сути, копенгагенский визит – лишь небольшой эпизод, касающийся участия Гейзенберга в немецкой ядерной программе и создании атомной бомбы.
Историки и физики, которые пытались разобраться в произошедшем, придерживаются самых разных точек зрения: одни утверждают, что Гейзенберг симпатизировал нацистам, другие изображают его активным борцом с режимом. Объяснить поступки Гейзенберга было бы намного проще, если бы в 1930-е годы он эмигрировал или, напротив, вступил в нацистскую партию, но реальность оказалась намного сложнее. Известно, что Гейзенберг получал приглашения из различных американских университетов, однако он остался в Германии. Ученый трудился в научной сфере и стремился сохранять политический нейтралитет, держась в стороне от организаций, близких к режиму. Он взял на себя инициативу по нейтрализации некоторых решений нацистского правительства, а также пережил нападки со стороны некоторых членов нацистской партии из- за своих выступлений в защиту теоретической физики и нежелания четко обозначить политическую позицию.
Хотел ли Гейзенберг создать атомную бомбу для Гитлера или, напротив, он делал все возможное, чтобы бойкотировать разработку? Знал ли ученый, как построить бомбу? Споры историков вокруг этих вопросов не утихают и сегодня.
В этой книге мы рассмотрим наследие Гейзенберга с разных точек зрения: биографической, исторической и научно- популярной. Мы увидим, что жизнь ученого была неразрывно связана с физикой и научной политикой. А свободное время он посвящал общению со своей семьей, музицированию, выездам на природу.
Автор описывает научные достижения Гейзенберга в квантовой механике и других дисциплинах, представляя их в историческом контексте. На этом пути нас ждет множество поворотов и развилок, но не в наших силах всем им уделить равное внимание. Вряд ли книга даст однозначный ответ на вопросы, связанные с ролью Гейзенберга в немецкой ядерной программе, однако на ее основе читатель сможет составить свое мнение о действиях гениального физика в те годы и задуматься о роли науки в военных конфликтах, а также о социальной ответственности ученых.
1901 5 декабря в немецком городе Вюрцбурге родился Вернер Карл Гейзенберг.
1920 Гейзенберг поступает в Мюнхенский университет и становится участником семинаров Арнольда Зоммерфельда.
1923 Получает степень доктора в Мюнхенском университете. Становится ассистентом Макса Борна в Университете Гёттингена.
1925 Вместе с Борном и Йорданом пишет знаменитую «работу трех» (Dreimannerarbeit), в которой приводятся основные постулаты новой квантовой теории: существование стационарных состояний атомов и квантовых скачков между состояниями, сопровождающихся излучением или поглощением света.
1927 Публикует доклад о принципе неопределенности, который описывает взаимоотношения между наблюдателем и наблюдаемым на квантовом уровне.
1928 Возглавляет кафедру теоретической физики в Лейпцигском университете.
1932 Предлагает квантовую модель ядра атома, в рамках которой нейтроны и протоны описываются как два квантовых состояния одной и той же частицы.
1933 Получает Нобелевскую премию 1932 года за создание квантовой механики.
1937 29 апреля в Берлине вступает в брак с Элизабет Шумахер.
1939 В конце сентября мобилизован для работы над немецкой ядерной программой.
1942 Назначен директором берлинского Института физики Общества кайзера Вильгельма.
1943 Возглавляет кафедру теоретической физики в Берлинском университете. Формулирует теорию матриц рассеяния, описывающую столкновения элементарных частиц.
1945 3 мая задержан союзниками; в июле перевезен в Фарм-холл (Англия).
1946 Исполняет обязанности директора Института физики и астрофизики общества Макса Планка в Гёттингене.
1951 Становится главой Комитета по атомной физике, а также возглавляет немецкую делегацию при учреждении ЦЕРН.
1953 Избран президентом Фонда Александра фон Гумбольдта – организации, посвященной поддержке иностранных ученых и развитию международного сотрудничества.
1976 1 февраля умирает от рака в своем доме в Мюнхене.
Глава 1 Истоки квантовой физики
В последние годы XIX и в первые годы XX века, с открытием электронов, рентгеновских лучей, радиоактивности и фотоэффекта, ученые смогли увидеть неизвестный до тех пор мир атомов. Однако новые открытия вызвали новые вопросы. Материя вела себя столь странно, что в попытках объяснить ее поведение пришлось прибегнуть к принципиально новым идеям: ученые предположили, что свет образован порциями энергии, что существуют частицы, которые ведут себя как волны, и так далее. Таковы были истоки квантовой революции.
Детство и юность Вернера Гейзенберга прошли в период становления квантовой физики. Вскоре после поступления в Мюнхенский университет он начал участвовать в развитии недавно появившейся науки – атомной физики. В Первую мировую войну и послевоенный период была сформирована особая социальная среда, в которой вращались ученые, создававшие новую науку.
В семье Гейзенберга хранилось полное генеалогическое древо, в котором были перечислены шесть поколений предков. Оно понадобилось ученому в 1930-е годы, когда ему пришлось доказывать чистоту крови нацистским властям. Его предки со стороны отца были преимущественно ремесленниками – бондарями и слесарями, предки со стороны матери – крестьянами и фермерами. В последней трети XIX века экономический и промышленный рост Германской империи открыл представителям среднего класса путь вверх по социальной лестнице: они получили доступ к высшему образованию, а вместе с ним – возможность стать врачами, адвокатами, судьями и государственными чиновниками. Дед Гейзенберга по материнской линии Николаус Векляйн изучал классические языки и был директором Максимилиановской гимназии – одной из лучших средних школ Мюнхена. Отец ученого, Август Гейзенберг, преподавал греческий и латынь.
В те годы после окончания начальной школы дети получали техническое образование либо (чаще всего это касалось представителей высших слоев) готовились к поступлению в университет в гимназиях – государственных учебных заведениях, напоминавших современные средние школы.
В своих самостоятельных работах в области математической физики он добился намного большего, чем того требует гимназический курс.
Август Гейзенберг получил докторскую степень и начал преподавать в Максимилиановской гимназии. Одновременно он продолжал заниматься древнегреческим языком для хабилитации – получения высшей ученой степени, следующей за степенью доктора и позволяющей преподавать в университете. В 1899 году Август Гейзенберг женился на Анни Векляйн, одной из дочерей директора Максимилиановской гимназии. После рождения первого сына, Эрвина, супруги переехали в Вюрцбург, город в 200 километрах к северу от Мюнхена, где Август получил должность преподавателя местной гимназии. В Вюрцбурге 5 декабря 1901 года, спустя год после открытия квантовой физики, и родился Вернер Карл Гейзенберг.