Механизм Вселенной

Вскоре после этого последовала реакция на волновую механику Шрёдингера. Планк отметил, что прочитал первую статью, «словно нетерпеливый ребенок, узнавший разгадку головоломки, которая давно досаждала его». В отношении второй статьи Планк снова отзывался с энтузиазмом: «Вы можете представить себе, с каким интересом и энтузиазмом я погрузился в чтение этой эпохальной работы…» Планк на самом деле был впечатлен и рассчитывал привлечь Шрёдингера в качестве своего преемника, как он, Планк, уйдет в отставку в 1927 году.

Эйнштейн вступил в обсуждение, сказав: «Идея Вашей работы исходит от настоящего гения!» Через десять дней он добавил: «Я убежден, что Вы решительно продвинулись вперед с Вашей формулировкой квантовых условий…»

Эренфест написал:

«Я просто в восторге от (Вашей теории) и от чудесной новой системы взглядов, которую она ведет за собой. В течение двух прошедших недель каждый день все члены нашей небольшой научной группы часами стояли по очереди у доски, чтобы испробовать все прекрасные следствия».



В основном, все были увлечены волновой механикой Шрёдингера. Однако это был не единственный вариант квантовой механики.





Две квантовых механики: Шрёдингера и Гейзенберга




С момента, когда Бор представил свою атомную квантовую теорию электронов, перескакивающих на нижний энергетический уровень, или орбиту, и излучающих при этом фотон определенной частоты, прошло более десяти лет. Атомная модель Бора дала очень хорошую, интуитивно понятную картину. Но реальность состоит в том, что мы не можем измерить движение электрона по орбите или даже по-настоящему узнать, существует ли это движение. С другой стороны, частотный спектр (спектральные линии), получающийся в результате электронных переходов на более низкие уровни энергии, — это то, что мы можем увидеть, и после всего этого времени он по-прежнему давал единственный ключ к разгадке внутренних механизмов атома.

Именно Вернер Гейзенберг (1901–1976) сказал, что правильная квантовая теория должна включать только те физические величины, которые на самом деле наблюдаемы. Когда ему было всего лишь двадцать три года, он принялся за построение такой теории. К концу мая 1925 года, после некоторого начального прогресса, Гейзенберга поразил тяжелый случай сенной лихорадки, что заставило его прервать обычный распорядок:

«От сенной лихорадки мне было настолько плохо, что пришлось попросить у моего профессора (Борна) отпуск. Я тут же отправился в Гельголанд, где я надеялся быстро выздороветь на бодрящем морском воздухе, вдали от цветения и лугов».



По-видимому, уединение на этом маленьком острове в Северном море не только освободило его от сенной лихорадки, но и освежило ум. Он говорил:

«Кроме повседневных прогулок и длинных заплывов, ничто не отвлекало меня от работы, и поэтому я быстрее добился прогресса, чем если бы работал (дома в университете) в Геттингене».



Не будем здесь вдаваться во все детали теории Гейзенберга, а вместо этого обратим внимание только на значимые аспекты. У теории Гейзенберга есть два важных элемента. Первый — это полный набор частот, на которых излучает атом вследствие перехода электронов на более низкие энергетические уровни. Вторая компонента, включенная им, — это вероятности, связанные с этими переходами.

Главным беспокойством, которое вызывала атомная модель Бора у Резерфорда, было отсутствие детерминированного поведения:

«Для меня представляется серьезной трудностью то, что Вы, без сомнений, прекрасно понимаете, а именно — как электрон (который вот-вот совершит переход) решает, на какой (энергетический уровень) он собирается (совершить переход, когда он) будет переходить с одного (энергетического уровня) на другой? Мне кажется, Вам придется предположить, что электрон заранее знает, куда ему перейти».



Гейзенберг эффективно решил эту проблему, включив набор вероятностей переходов, он утверждал, что в квантовой реальности нет привычного детерминизма классической физики, столь желанного для Резерфорд. Вместо этого различные переходы случаются просто в соответствии с их вероятностями. Такой прецедент уже был в работе Эйнштейна 1916–1917 годов, где он использовал концепцию вероятностей перехода для атомов, взаимодействующих со светом[210].

К тому моменту, как Гейзенберг вернулся из Гельголанда, у него в руках был свой вариант квантовой механики, и он тут же начал записывать результаты, хотя и не без сомнений, доверяя их своему отцу в письме: «В данный момент моя собственная работа идет не особенно хорошо. У меня получается не очень много, и я не знаю, появится ли вообще из всего этого другая (статья) в этом семестре».

В начале июля 1925 года неуверенный Гейзенберг поехал к Борну со своей статьей и попросил его просмотреть ее и решить, стоит ли ее публиковать. При чтении статьи Борн был поражен математическими сущностями, возникающими из теории Гейзенберга, и был уверен, что видел их где-то раньше. Наконец в письме к Эйнштейну он вспомнил, что «(математический формализм) Гейзенберга не давал мне покоя, и после дней сосредоточенных размышлений и проверки я вспомнил об алгебраической теории, о которой я узнал от моего учителя…»

Теория, которую назвал Борн, была матричной алгеброй, а конкретнее, он вспомнил о правиле перемножения двух матриц. Поскольку в то время матрицы не были общеизвестными, Борн был одним из немногих физиков, кто реально мог их распознать. В конце месяца Борн направил статью Гейзенберга в журнал на публикацию.

Новая квантовая механика Гейзенберга была представлена в статье под названием «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений». В сентябре 1925 года Борн и его молодой помощник Паскуаль Йордан (1902–1980) сразу же расширили и уточнили исследование Гейзенберга. Все трое объединились для написания третьей статьи («Работы трех»), принятой в ноябре 1925 года. С этим окончательными усилиями они провозгласили, что обнаружили долгожданную квантовомеханическую теорию[211]. И все это было проделано перед тем, как в журнал приняли первую статью Шрёдингера (27 января 1926 года). Конечно, Шрёдингер, когда формулировал волновую механику, знал о первых двух статьях, но не о третьей. Так или иначе, они никак не повлияли на его работу.

Это связано с тем, что с математической точки зрения два подхода сильно отличаются друг от друга. Центральным элементом в подходе Шрёдингера является волновое уравнение, дифференциальное уравнение в частных производных, решение которого дается столь важной волновой функцией. Формализм Гейзенберга никак не связан с волновым уравнением или какими-то другими уравнениями в частных производных; вместо этого там используются матрицы, вот почему он часто называется матричной механикой. Также его формализм по своему замыслу предполагает дискретные уровни энергии и соответствующие вероятности перехода, тогда как в волновой механике Шрёдингера эти уровни энергии не заложены — они просто получаются естественным путем при решении волнового уравнения и наложении правильных граничных условий на непрерывное решение — волновую функцию.

Что касается вероятностной природы, присутствующей в теории Гейзенберга, — да, ясно, что она отсутствует в формализме Шрёдингера. Это может показаться вам довольно странным, поскольку мы неоднократно замечали, что вероятность кажется внутренне присущей квантовой механике. Чуть позже мы увидим, что вероятность внутренне присуща и теории Шрёдингера; она просто слегка прячется сначала. То есть внешне эти теории кажутся очень разными, не только математически, но и по их физическому описанию, тот факт, на который их сторонники обращали внимание.

Шрёдингер подчеркивал непрерывную (присущую классической механике) природу своей теории, представляя электронные переходы в атомах, с которыми связано излучение или поглощение света — не с помощью перескакивающих электронов, как изначально описывал Бор, а с помощью плавных переходов, при которых колеблющийся электрон (чем-то подобный одному из резонаторов Планка) просто «переходит» из одного колебательного состояния в другое:

«Вряд ли нужно обращать внимание на то, насколько более удобно представить, что при квантовом переходе энергия изменяется из одной формы колебаний в другую, чем думать о перескакивающем электроне».



Шрёдингер не скрывал свою неприязнь к теории Гейзенберга с ее матрицами, перескакивающими электронами и отсутствием интуитивно понятной физической картины:

«Я, разумеется, знал о теории (Гейзенберга), но чувствовал разочарование, если не отвращение, по отношению к тому, что явилось мне как очень сложные методы (матричной механики) и отсутствие ясности».



Кроме того, Шрёдингер считал, что его теория была с физической точки зрения более понятной, тем самым давая более твердое основание для решения и понимания физических проблем, тогда как вариант Гейзенберга был всего-навсего картиной из абстракций и сложной математики. В письме к другу он отмечал: «Все философствование по поводу “принципиальной наблюдаемости” только замалчивает нашу неспособность угадать правильное положение дел».

Шрёдингер на самом деле думал, что его практически визуализируемый волновой механики лучше всего послужил практическому и интеллектуальному развитию квантовой механики.

«Как мне кажется, чрезвычайно сложно бороться с проблемами (квантовой механики), когда мы считаем необходимым подавление интуиции эпистемологическими основаниями в области атомной динамики и оперирование такими абстрактными понятиями, как вероятности переходов, уровни энергии и т. д.».сс




Гейзенберг верил, что его теория запечатлела подлинную сущность квантовой механики, описывая ее как «истинную теорию дискретного», и выразил подобное негодование в адрес волновой механики Шрёдингера. Гейзенберг писал своему другу, Вольфгангу Паули (1900–1958):

«Чем больше я думаю о физическом компоненте теории Шрёдингера, тем более отталкивающим я его нахожу. …То, что Шрёдингер пишет о визуализации своей теории, мягко говоря, “возможно, не совсем правильно”, а другими словами, ерунда».



И вот, когда показалось, что эти два варианта квантовой механики не могут отличаться еще больше, Шрёдингер написал статью «Об отношении квантовой механики Гейзенберга — Борна — Йордана к моей», показывая, что — как минимум с математической точки зрения — они являются одним и тем же.

Для физиков это была прекрасная новость, поскольку она означала, что можно было использовать любой из подходов для решения физических проблем. Иначе говоря, многие из физиков вздохнули с облегчением, потому что могли использовать вариант Шрёдингера, поскольку математика была намного менее громоздкой, чем матрицы теории Гейзенберга, и уже знакомой им по физическим проблемам, которые они решили раньше. Тем не менее физическая интерпретация обеих теорий была по-прежнему доступной всякому желающему.





Физические следствия квантовой механики




Главным вопросом, по-прежнему преследовавшим волновое уравнение, была роль волновой функции. Определенно, с математической точки зрения она ясна: это решение волнового уравнения Шрёдингера, «всемогущая» функция-результат. Однако с физической точки зрения она по-прежнему оставалась большой тайной для всех, в том числе и для самого Шрёдингера.

Сперва он интерпретировал ее как связанную с «некоторым колебательным процессом в атоме». Позднее для системы электронов Шрёдингер более точно объяснял квадрат модуля волновой функции (модуль волновой функции, умноженный на самого себя) как что-то вроде «весовой функции», связанной с плотностью заряда (или «плотности электричества», как он ее называл) в определенной области пространства. То есть он представлял отдельный электрон размазанным по всему пространству. Другими словами, он в прямом смысле представлял электрон не как частицу, находящуюся в определенной точке пространства, а как волну, распределенную по нему.

Шрёдингер не один размышлял о физическом смысле волновой функции. Несколько ученых начинали приходить к заключению, что волновая функция была на самом деле связана со своего рода квантовой вероятностью, сильно отличающейся от вероятности классической механики. Среди них были Поль Дирак (1902–1984), Юджин Вигнер (1902–1995) и, в первую очередь, Макс Борн. Работа Борна четко определяла физический смысл волновой функции и природу квантовой вероятности. Он писал: «Движение частиц подчиняется законам вероятности…»

Иначе говоря, движение квантовых частиц, таких как электроны, не управляется детерминированными уравнениями, как в случае классических частиц (или макроскопических объектов). В результате, в отличие от классической частицы, квантовая не движется по четко определенной физической траектории с хорошо определенными значениями величин, описывающих основные ее характеристики, такие как положение, импульс, энергия и другие подобные в каждый момент времени. Вместо этого, согласно Борну, эти физические величины (и многие другие) полностью определяются квантовой вероятностью, которая пропорциональна квадрату модуля волновой функции. Как и Шрёдингеру, Борну квадрат модуля волновой функции раскрыл секрет истинного физического смысла волновой функции. Однако он понимал эту величину совершенно по-другому.

Борн также отмечал, что «сама вероятность распространяется согласно закону случая». То есть, хотя движение квантовой частицы не является детерминированным, квантовая вероятность, определяющая окончательный исход, является, и она дается волновым уравнением Шрёдингера (поскольку оно задает волновую функцию, а значит, и ее квадрат модуля). Это чем-то напоминает то, как мы обсуждали больцмановскую вероятность (в части 2). Вспомним, что больцмановская вероятность дает вероятность того, что произойдет определенное микросостояние из многих возможных для системы частиц. Однако все же есть важное отличие.

Больцмановская вероятность была математически удобной для рассмотрения системы очень большого числа частиц. Для такой системы просто невозможно использовать уравнение Ньютона, определяя физические траектории всех без исключения частиц. Это не означает, что их траектории и соответствующие положения, импульсы, энергии и им подобные не существуют. Несомненно, что в классической механике они существуют. И это всего лишь означает, что решение данной математической проблемы громоздкое. Таким образом, мы обращаемся к использованию больцмановской вероятности, потому что оно очень упрощает исходную проблему, позволяя нам рассчитывать средние величины для всей системы частиц.

В случае вероятности, связанной с квантовой механикой, ситуация совершенно другая. Здесь квантовая вероятность — это не просто способ упрощения некоторой сложной математики до более податливой проблемы. В квантовом мире вероятностная природа является физической реальностью. Поэтому единственное, что мы можем знать о квантовой частице, — это вероятность, которую вы обнаружите в данном квантовом (микро) состоянии. Итак, если в классической механике речь идет об эволюции частицы согласно уравнению Ньютона вдоль заданной траектории, то в квантовой механике эволюционирует вероятность для частицы согласно уравнению Шрёдингера, переводя ее из одного квантового состояния в другое.

Интерпретация Борна решила серьезные проблемы, связанные с волновым уравнением Шрёдингера. Теперь стало ясно, как непрерывная волновая функция могла привести к возникновению дискретных уровней энергии, доступных электрону: волновая функция движется в пространстве вероятностей — не физическом — «направляя» электрон из одного квантового состояния в другое. Так, вероятностная природа квантового мира, которую Гейзенберг явно включил свою теорию, также присутствует и в теории Шрёдингера. Интерпретация Борна также вновь подтвердила электронные скачки в атоме Бора; теперь эти электронные переходы были наделены математической вероятностью их возникновения. Однако электронные орбиты (чисто классическое понятие), которые в течение некоторого времени впадали в немилость, в конце концов исчезли раз и навсегда. Для Шрёдингера это было уже слишком.

Можно было бы подумать, что Шрёдингер был большим фанатом статистической интерпретации Борна. Ведь это он в своем вступительном обращении в университете Цюриха в 1922 году сказал: «Вполне возможно, что все без исключения законы природы имеют статистический характер». Очевидно, не о квантовой вероятности он думал, когда утверждал следующее:

«Но сегодня мне больше не хотелось бы предполагать вместе с Борном, что отдельный процесс такого рода носит “абсолютно случайный характер”, то есть что он полностью не определен. Сейчас я больше не считаю, что эта концепция (которую я так отстаивал четыре года назад) достигает многого».



Шрёдингер был не единственным, у кого были проблемы с квантовой вероятностью; у Эйнштейна они тоже были.

Эйнштейн занимал лидирующую позицию в квантовой теории в течение более чем двадцати лет и был первым, кто ввел в нее вероятности переходов (в 1916 году), однако решил, что с него хватит. В 1917 году он отметил, что, согласно квантовой теории, направление переданного импульса при спонтанном излучении фотона атомом, по-видимому, определяется «случаем», и это до сих пор вызывает у него трудности. К 1926 году он стал абсолютно безжалостен в отношении квантовой вероятности, и в ответе на письмо, которое ему написал Борн, заявил:

«Квантовая механика действительно впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не идеал. Эта теория говорит о многом, но все же не приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. По крайней мере, я уверен, что Он не бросает кости».



Отказ Эйнштейна был для Борна тяжелым ударом. Эйнштейн официально отвернулся от квантовой механики и сохранял это убеждение всю оставшуюся жизнь. В 1944 году он подтвердил свое первоначальное заявление Борну: «Большой начальный успех квантовой теории не может обратить меня в веру в эту фундаментальную игру в кости».

В то время как Борн и Эйнштейн не соглашались друг с другом по части квантовой вероятности, Бор и Шрёдингер не соглашались, ну, практически во всем.

В сентябре 1926 года Бор пригласил Шрёдингера в Копенгаген прочитать лекцию и обсудить волновую механику более подробно. Не успел Шрёдингер сойти с поезда, как Бор начал спорить на тему физических интерпретаций квантовой механики. За несколько дней Бор стал даже более неутомимым в дискуссиях, начиная их рано утром и продолжая их до поздней ночи. Также, чтобы исключить возможность всяких отвлечений, Бор договорился, чтобы Шрёдингер гостил у него дома. Наиболее подробный отчет об этом визите поступил от Гейзенберга — в то время он был ассистентом Бора в институте. Он вспоминал: «Хотя Бор, как правило, был исключительно добрым и внимательным в отношениях с людьми, теперь он мне представился подобным безжалостному фанатику…»

Шрёдингер понимал свое волновое уравнение буквально, видя в квантовом объекте, подобном электрону, волну, а не частицу. Для него волновая функция была на самом деле материальной волной, описывающей, куда в пространстве различные части электрона были в действительности рассеяны. Также он настаивал на возможности чего-то наподобие визуализируемого построения внутренней работы атома.

Бор был полностью против. Он был согласен с Борном, что волновая функция описывала квантовую вероятность, а не что-то наподобие реальной физической волны. В течение их обсуждения Бор выступал в пользу корпускулярной концепции квантовых объектов, но позднее для полного описания он потребовал как корпускулярную, так и волновую концепцию — полную реализацию «синтетической концепции» Эйнштейна 1909 года. Однако важнейшим предметом спора были перескакивающие электроны из атомной модели Бора.

По мнению Шрёдингера, сама идея перескакивания электронов из одного стабильного, или стационарного, дискретного квантового состояния в другое была нелепой: «Вы, господин Бор, несомненно, должны понять, что вся эта идея квантовых скачков с необходимостью приводит к абсурду… Иначе говоря, вся эта идея квантовых скачков — чистая фантазия».

Кто мог его обвинить? Атомная модель Бора не предлагала никакого «действительного» объяснения тому, почему электроны не падают на ядро, как это было бы в классической физике. Там просто была введена концепция стационарных квантовых состояний, которые являлись «магическими орбитами», избавлявшими электрон от этой трагической судьбы. И если это не слишком мешало, дальше нужно было признать, что электрон мог перескакивать между этими стационарными квантовыми состояниями просто при поглощении или излучении фотона, невзирая на то, что именно на самом деле управляло этим процессом.

Бор признавал, что принять эти концепции было сложно, но считал, что главная проблема Шрёдингера, связанная со всем этим, уходила корнями в его потребность в наглядной работе:

«…она не доказывает, что квантовых скачков нет. Она лишь доказывает, что мы не можем их представить, что наглядные концепции, с которыми мы описываем явления в повседневной жизни и эксперименты в классической физике, непригодны, когда дело касается описания квантовых скачков. Нам также не следует удивляться, когда мы обнаруживаем такую непригодность, видя, что рассматриваемые процессы не являются объектами непосредственного опыта».



Шрёдингер продолжал настаивать на том, что устранение дискретных квантовых состояний принятием его волновой картины электрона разгадает «квантовую таинственность». Бор подчеркивал, что и закон излучения Планка, и работа Эйнштейна по взаимодействию света и вещества требовали дискретных квантовых состояний. Неужели Шрёдингер собирался разрушить самые основания квантовой механики? Более того, Бор утверждал, что эксперименты уже подтвердили эту дискретную природу атома самыми различными способами. На это расстроенный Шрёдингер ответил: «Если все эти проклятые квантовые скачки реально никуда не денутся, я буду сожалеть, что вообще ввязался в квантовую теорию».

Через несколько дней Шрёдингер заболел и лежал в постели с жаром; возможно, Бор его в конце концов измотал. Госпожа Бор присматривала за ним, принося ему чай и пирог в кровать, а все это время сам Бор сидел на краю кровати, продолжая спорить: «Но, без сомнений, господин Шрёдингер, вы должны понимать…»