Головна |
« Попередня | Наступна » | |
VI. ПРОРИВ У НОВУ ЗЕМЛЮ (І926-1927) |
||
Коли запитують, у чому, власне, полягало велике досягнення Христофора Колумба, який відкрив Америку, доводиться відповідати, що справа була не в ідеї використовувати кулясту форму Землі для проникнення західним шляхом до Індії; ця ідея вже розглядалася іншими. Справа була і не в ретельній підготовці експедиції, в майстерному оснащенні кораблів, що могли здійснити знову ж та інші. Найважчим у цій подорожі-відкритті було, безсумнівно, рішення залишити всю відому доти землю і плисти так далеко на захід, щоб повернення назад з наявними припасами було вже неможливо. Подібним же чином справді нову землю в науці можна відкрити лише тоді, коли ви у вирішальний момент готові покинути ту грунт, на якій спочивала колишня наука, і у відомому сенсі зробити стрибок в порожнечу. Ейнштейн у своїй теорії відносності відмовився від поняття одночасності, що належав до непохитним основам колишньої фізики, і саме на таку відмову від колишнього поняття одночасності не могли піти багато, навіть видатні фізики і філософи, зробившись запеклими противниками нової теорії. Можна, мабуть, сказати, що науковий прогрес вимагає від того, хто йому покликаний сприяти, загалом лише одного - сприйняття і розвитку нових ідей, люди науки до цього майже завжди готові. Але коли доводиться вступати на справді нову землю, може статися так, що мало сприйняти зміст нових ідей, треба ще й змінити саму структуру мислення, щоб зрозуміти нове. До цього багато явно не розташовані або не готові. Наскільки важко буває зробити цей вирішальний крок, я вперше ясно відчув на засіданні натуралістів в Лейпцигу. Так що можна було очікувати, що і в квантовій механіці справжні труднощі нам ще тільки мають. У перші місяці 1926 року, приблизно в той же час, коли я робив свою доповідь у Берліні, нам, геттінгенцев, стала відома робота віденського фізика Шредінгера, який підійшов до проблем атомної теорії з абсолютно нового боку . Вже роком раніше у Франції Луї де Бройль звернув увагу на те, що дивний дуалізм хвильових і корпускулярних уявлень, який робив неможливим раціональне пояснення світлових явищ, може грати роль також і в матерії, наприклад в електронах. Шредінгер розвинув далі ці ідеї, сформулювавши у вигляді хвильового рівняння закон, згідно з яким хвилі матерії поширюються під дією електромагнітного силового поля. Відповідно з цим поданням стаціонарні стани атомної оболонки можна було уподібнити стоячим хвилям якої системи, наприклад коливається струни, причому величини, раніше розглядалися як енергії стаціонарних станів, тут виявлялися частотами стоячих хвиль. Результати, отримані на цьому шляху Шредингером, дуже добре відповідали висновкам нової квантової техніки, і Шре-Дінгер дуже скоро вдалося довести, що його хвильова механіка математично еквівалентна квантовій механіці і що, отже, йдеться про два різних математичних формулюваннях того ж самого стану речей . У цьому сенсі нас дуже радував новий поворот справи, оскільки тим самим значно зміцнилася наша впевненість у правильності нового математичного формалізму; крім того, методика Шредінгера дозволяла здійснити цілий ряд обчислень, які в квантовій механіці були б надзвичайно складними. Однак при фізичної інтерпретації нової математичної схеми почалися труднощі. Шредінгер вірив, що перехід від частинок до хвиль матерії дозволить позбутися парадоксів, які довгий час настільки безнадійно утруднювали розуміння квантової теорії. Хвилі матерії, згідно Шредингеру, слід було трактувати тут як реальні процеси в просторі та часі приблизно в тому ж сенсі, що і звичайні електромагнітні та звукові хвилі. Настільки незрозуміла дискретність, «квантові скачки» і подібне підлягали повного вигнання з теорії. Я не міг повірити цим тлумаченням, оскільки воно повністю суперечило нашим копенгагенським уявленням, і мені було тривожно бачити, що багато фізики саме це саме тлумачення Шредінгера сприйняли як порятунок. У ході численних бесід, які я вів протягом цього року з Нільсом Бором, Вольфгангом Паулі і багатьма іншими фізиками, ми, здавалося, досягли повної ясності щодо того, що наочне просторово-часове опис процесів, що відбуваються в атомі, неможливо. Елемент дискретності, який Ейнштейн у Берліні охарактеризував як особливу характерну рису атомних явищ, не допускав такого опису. Зрозуміло, це було поки ще тільки негативне твердження, і від повної фізичної інтерпретації квантової механіки ми були поки ще дуже далекі. Але ми все ж були впевнені, що від уявлення про протікають у просторі та часі об'єктивних процесах безумовно треба так чи інакше позбутися. Шредінгеровской тлумачення, навпроти, зводилося до того, - і тут полягала його сенсаційність, що існування цих дискретності просто заперечувалося. Не можна вже було вважати, що при переході з одного стаціонарного стану в інший енергія атома несподівано змінюється, а передана енергія випромінюється у формі ейнштейнівського світлового кванта. Причиною випромінювання пропонувалося вважати, скоріше, те, що при подібному процесі одночасно збуджуються два постійних матеріальних коливання, причому інтерференція обох коливань є причиною випромінювання електромагнітних, наприклад світлових хвиль. Така гіпотеза здавалася мені занадто сміливою, щоб бути істинною, і я зібрав всі аргументи на користь того, що дискретність є все-таки справжньої рисою самої дійсності. Найближчим аргументом була Планка формула випромінювання, в емпіричної правильності якої вже не можна було більше сумніватися і яка складала вихідний пункт план-ковського тези про дискретних стаціонарних значеннях енергії. В кінці літнього семестру 1926 Зоммерфельд запросив Шредінгера на Мюнхенський семінар зробити повідомлення про свою теорію, і там мені представився перший привід для дискусії. Того семестр я знову працював в Копенгагені і при дослідженні атома гелію освоїв методи Шредінгера. Закінчивши цю роботу у вре # ма наступного потім відпустки, проведеного почасти на озері Мьеса в Норвегії, я потім в повній самоті пройшов неходженими стежками від Гудбрандсдален через ряд гірських ланцюгів до Согне-фіорду. Після короткої зупинки в Копенгагені, я, нарешті, приїхав до Мюнхена, щоб провести частину відпустки зі своїми батьками. Завдяки цьому я зміг почути доповідь Шредінгера. На семінар прийшов і керівник Інституту експериментальної фізики Мюнхенського університету Вільгельм Він, вкрай скептично налаштований щодо зоммерфельдовской «атомістики». Насамперед Шредінгер розгорнув математичні принципи хвильової механіки на прикладі атома водню, і всі ми були захоплені тим, що з проблемою, яку Вольфгангу Паулі методами квантової механіки вдавалося вирішити лише вельми складними шляхами, тепер виявилося можливим витончено і просто розправитися звичайними математичними методами. Але на закінчення Шредінгер заговорив про своє тлумаченні хвильової механіки, в яке я повірити не міг. У ході послідувала дискусії я висловив свої зауваження, особливо вказавши на те, що шредінгеровской трактування позбавляє можливості зрозуміти навіть закон випромінювання Планка. Мені, однак, не пощастило зі своєю критикою. Вільгельм Він дуже різко відповів, що, хоча йому зрозумілі мої жалю з приводу того, що тепер з квантовою механікою покінчено і про всяку нісенітницю типу квантових стрибків і тому подібному говорити більше не доводиться, але згадані мною труднощі, без сумніву, будуть дозволені Шре- Дінгер в самий найближчий час. У своїй відповіді Шредінгер не був настільки категоричний, однак і він залишився при переконанні, що тепер дозвіл всіх перерахованих мною проблем у дусі його підходу - тільки питання часу. Своїми аргументами я вже ні на кого не зміг справити враження. Навіть любиш мене Зоммерфельд не зміг встояти перед переконливою силою шредінгеровской математики. Додому я йшов тому кілька затьмареним і, здається, в той же вечір написав Нільса Бору лист, повідомляючи йому про невдалому результаті дискусії. Мабуть, наслідком мого листа було те, що Бор послав Шредингеру запрошення приїхати у вересні на один-два тижні до Копенгагена, щоб обговорити у всіх деталях питання тлумачення квантової і хвильової механіки. Шредінгер погодився, і, природно, я теж поїхав в Копенгаген, щоб бути присутнім при такому важливому суперечці. Дискусія між Бором і Шредінгер почалася вже на вокзалі в Копенгагені і тривала щодня з раннього ранку до пізньої ночі. Шредінгер зупинився в будинку Бора, так що вже з суто зовнішнім обставинам у суперечці не могло бути ніякої перерви. І хоча Бор в поводженні з людьми звичайно був украй послужливий і люб'язний, тут він постав переді мною якимось невблаганним фанатиком, не збираються робити ні кроку назустріч своєму співрозмовнику чи дозволити йому хоча б маленьку неясність. Навряд чи можна передати, як пристрасно велася дискусія з обох сторін, як глибоко коренилися переконання, вгадуєш за вимовними фразами як у Бора, так і у Шредінгера. Тому я можу тут запропонувати лише дуже бліде відображення тих бесід, в яких з щонайнапруженішої силою йшла боротьба навколо інтерпретації недавно досягнутого математичного опису природи. Шредінгер: «Ви повинні все-таки зрозуміти, Бор, що вся ваша ідея квантових стрибків неминуче веде до нісенітниці. Ви от стверджуєте, що в стаціонарному стані атома електрон спочатку періодично обертається з якоїсь орбіті, що не випромінюючи. Не дається ніякого пояснення, чому він не повинен нічого випромінювати, при тому що, відповідно до теорії Максвелла, випромінювання бути повинно. Потім електрон чомусь перескакує з однієї орбіти на іншу, і відбувається випромінювання. Що це за перехід, поступовий або раптовий? Якщо він поступовий, то електрон повинен поступово само змінювати частоту свого обертання і свою енергію. Незрозуміло, звідки тоді беруться чіткі частоти спектральних ліній. А якщо перехід відбувається раптово, так сказати, стрибком, то хоча і можна, застосовуючи ейнштейнівські уявлення про світлові кванти, прийти до правильного числу світлових коливань, однак треба ж ще й запитати, як рухається електрон під час стрибка? Чому при цьому не випускається безперервний спектр, як того вимагала б теорія електромагнітних явищ? І якими законами визначається його рух при стрибку? Словом, все це уявлення про квантових скачках по необхідності виявляється просто нісенітницею ». Бор: «Так, у всьому, що Ви говорите, Ви абсолютно праві. Але це ще не доказ, що квантових стрибків не існує. Це доводить тільки, що ми не можемо їх собі уявити, тобто що наочні поняття, за допомогою яких ми описуємо події повсякденного життя і експерименти колишньої фізики, недостатні для зображення процесів квантового переходу. І тут немає зовсім нічого дивного, якщо врахувати, що процеси, про які у нас йде мова, не можуть бути предметом безпосереднього досвіду, що ми не переживаємо їх безпосередньо, а тому і не можемо узгодити наші поняття ». Шредінгер: «Я не хотів би з Вами вдаватися в філософський спір щодо утворення понять, це вже ми краще залишимо для філософів, але мені просто хотілося б знати, що відбувається в атомі. Причому для мене абсолютно байдуже, якою мовою говорити. Якщо в атомі є електрони, тобто частинки, як ми їх досі собі уявляли, то вони повинні і якось рухатися. Мене в даний момент поки не цікавить точний опис їх руху, але врешті-решт треба ж буде коли-небудь з'ясувати, як вони поводяться в стаціонарному стані або при переході з одного стану в інший. А математичний формалізм хвильової або квантової механіки виглядає так, ніби на ці питання не існує ніякого розумної відповіді. Але варто нам змінити образ, тобто сказати, що немає ніяких електронів-частинок, а є електронні хвилі матерії, все починає виглядати зовсім інакше. Нас тоді більше не здивують чіткі частоти коливань. Випромінювання світла стає таким же зрозумілим, як випускання радіохвиль антеною передавача, і протиріччя, що здавалися нерозв'язними, зникають ». Бор: «Ні, на жаль, це не так. Суперечності не зникають, вони тільки відсуваються в іншу область. Ви говорите, наприклад, про випущенні випромінювання атомом або, в загальному випадку, про взаємодію атома з навколишнім полем випромінювання і вважаєте, ніби всі труднощі усуваються при припущенні, що існують хвилі матерії, а не квантові скачки. Але згадайте хоча б про термодинамічній рівновазі між атомом і полем випромінювання, наприклад про ейнштейнівська виведенні закону випромінювання Планка. Вирішальним для виведення цього закону є те, що енергія атома приймає дискретні значення і час від часу уривчасто змінюється; тут дискретні значення частот власних коливань нічим не можуть допомогти. Адже не хочете ж Ви серйозно поставити під питання всі основні положення квантової теорії ». Шредінгер: «Я не стверджую, зрозуміло, ніби всі ці моменти вже повністю зрозумілі. Але ж і Ви теж не володієте жодним задовільним фізичним тлумаченням квантової механіки. Я не розумію, чому не можна сподіватися, що використання вчення про теплоту в теорії хвиль матерії призведе зрештою до хорошого поясненню формули Планка - звичайно, тоді воно буде виглядати зовсім інакше, ніж колишні пояснення ». Бор: «Ні, на це сподіватися не можна. Адже вже 25 років відомо, що означає формула Планка. А крім того, ми ж зовсім безпосередньо спостерігаємо дискретність, стрибкуватість атомних явищ, наприклад на сцинтиляційному екрані або в камері Вільсона. Ми бачимо, що спалах світла на екрані з'являється раптово, і електрон пролітає через камеру Вільсона раптово. Адже не можете ж Ви просто відсторонитися від цих стрибкоподібних процесів і робити вигляд, ніби їх зовсім не існує ». Шредінгер: «Якщо не можна позбутися цих проклятих квантових стрибків, то я шкодую, що взагалі зв'язався з квантовою теорією». Бор: «А ось ми, зі свого боку, дуже вдячні Вам за те, що Ви зробили, оскільки Ваша хвильова механіка з її математичної ясністю і простотою представляє величезний прогрес по відношенню до колишніх форм квантової механіки». Суперечка тривав так годинами вдень і вночі, проте згоди досягнуто не було. Через кілька днів Шредінгер захворів, ймовірно, через крайнього перенапруги; жар і застуда змусили його злягти у ліжко. Фрау Бор доглядала за ним, приносила чай та солодощі, але Нільс Бор сидів на краєчку ліжка і вселяв Шредингеру: «Ви все-таки повинні зрозуміти, що ...». До справжнього взаєморозуміння і не можна було тоді прийти, оскільки жодна зі сторін не могла запропонувати повної і цілісної інтерпретації квантової механіки. Але ми, копенгагенцев, до кінця цього візиту все ж відчули велику упевненість в тому, що ми на вірному шляху. Одночасно ми, звичайно, розуміли, як важко буде навіть кращих фізиків переконати в необхідності відмовитися від просторово-часового опису атомних процесів. У наступні місяці фізичне тлумачення квантової механіки становило головну тему бесід між Бором і мною. Я жив тоді на верхньому поверсі інститутського будинку, в маленькому затишному горищному приміщенні з косими стінами, звідки відкривався вид на дерева біля входу в Феллед-парк. Часто Бор навіть і пізнім вечором ще раз заходив до моєї кімнати, і ми обговорювали всілякі так звані уявні експерименти, щоб перевірити, чи дійсно ми повністю зрозуміли свою теорію. Досить скоро з'ясувалося, що Бор і я шукаємо вирішення труднощів в кілька різних напрямках. Зусилля Бора були спрямовані на те, щоб зберегти за обома наочними уявленнями, корпускулярним і хвильовим, однакове право на існування, причому він намагався показати, що хоча ці уявлення взаємно виключають одне одного, проте вони лише разом роблять можливим повний опис процесів в атомі. Мені такий підхід не подобався. Я вважав за краще виходити з того, що квантова механіка в тодішній її формі вже наказувала однозначну фізичну інтерпретацію для деяких використовуваних в ній величин, - наприклад для середніх часових значень енергії, електричного моменту, імпульсу, середніх значень коливань і т. д., - так що , мабуть, вже не залишалося ніякої свободи фізичних інтерпретацій. Мені швидше здавалося, що на основі вже досягнутої приватної інтерпретації є можливість за допомогою чітких логічних умовиводів прийти і до вірної загальної інтерпретації. З тієї ж причини - до речі сказати, зовсім дарма - я досить несхвально поставився до однієї геттингенской роботі Борна, самої по собі чудовою, де він трактував процеси зіткнення за методом Шредінгера, висуваючи гіпотезу, що квадрат шредінгеровской хвильової функції висловлює мірою ймовірності перебування електрона в даному місці. Я вважав абсолютно правильним тезу Борна, однак мені не подобалося, що він виглядав так, ніби тут ще зберігалася деяка свобода тлумачення. Я був переконаний, що теза Борна необхідним чином випливає з уже встановленою інтерпретації спеціальних величин квантової механіки. Це переконання ще більше посилилося завдяки двом дуже плідним математичним дослідженням Дірака і Йордана. На щастя, у своїх вечірніх бесідах ми з Бором приходили зазвичай до однакових висновків щодо того чи іншого фізичного експерименту, і тому можна було сподіватися, що наші настільки різні устремління в кінцевому підсумку призведуть до одного результату. Правда, обидва ми не знали, як узгодити з квантової або хвильової механікою такий простий феномен, як, наприклад, траєкторію електрона в камері Вільсона. У квантовій механіці зовсім не було поняття траєкторії, а в хвильової механіки хоча і допускалося вузьконаправлене випромінювання матерії, однак такий промінь повинен був поступово поширюватися в областях простору, набагато перевищують діаметр електрона. Експериментальна ситуація виглядала явно інакше. Оскільки наші бесіди часто затягувалися до пізньої ночі і, незважаючи на місяці безперервного напруги, не приводили до задовільного результату, ми дійшли до стану виснаження, яке, зважаючи різної спрямованості думки, викликало інший раз натягнутість відносин. Тому Бор в лютому 1927 вирішив взяти відпустку, щоб бути схожим на лижах по Норвегії, і я був теж дуже радий тому, що можу тепер в Копенгагені ще раз наодинці з собою поміркувати над цими безнадійно складними проблемами. Тепер я зосередив усі свої зусилля на питанні про те, яким чином у квантовій механіці математично представити траєкторію електрона в камері Вільсона. Тут мені також прийшло на пам'ять спогад про бесіду, яку я мав одного разу в Геттінгені з товаришем по навчанню, Буркхардом Друде. При обговоренні труднощів, пов'язаних з поданням про електронні орбітах в атомі, Буркхард Друде заговорив про принципову можливість сконструювати мікроскоп виключно високої роздільної здатності, що дозволяє безпосередньо бачити траєкторію електрона. Такий мікроскоп зможе, звичайно, працювати не у видимому світлі, а, скажімо, в жорстких гамма-променях. Тоді в принципі можна було б сфотографувати орбіту електрона в атомі. Моїм завданням було тому довести, що навіть такий мікроскоп не дозволить переступити кордону, встановлювані співвідношенням невизначеностей. Це доказ вдалося і зміцнило мою впевненість у замкнутої цілісності новій інтерпретації. Після кількох інших розрахунків подібного роду я підсумував свої результати в довгому листі до Вольфгангу Паулі і отримав від нього з Гамбурга схвальну відповідь, який мене дуже підбадьорив. Потім був ще ряд складних дискусій, коли Нільс Бор повернувся зі свого проведеного на лижах відпустки в Норвегії. Справа в тому, що Бор теж просунувся у розвитку своїх ідей, намагаючись, як і в бесідах зі мною, зробити принциповою основою тлумачення дуалізм хвильової та корпускулярної картин. Центральне місце в його роздумах займало новостворене їм поняття додатковості, покликане описувати ту ситуацію, коли одне і те ж подію ми можемо охопити за допомогою двох різних способів розгляду. Обидва ці способу розгляду взаємно виключають одне одного, але вони також і доповнюють один одного, і лише пару двох суперечать один одному способів розгляду повністю вичерпує наочну суть явища. Спочатку Бор поставився до мого співвідношенню невизначеностей трохи насторожено, побачивши в ньому лише ще один занадто спеціальний випадок загальної ситуації додатковості. Але досить скоро, з люб'язною допомогою шведського фізика Оскара Клейна, теж працював тоді в Копенгагені, ми переконалися, що ніякого серйозного розходження між обома тлумаченнями більше немає і залишається тому тільки представити вже цілком зрозуміле нами стан речей так, щоб, незважаючи на свою новизну, воно стало б зрозумілим також і наукової громадськості. Зіткнення з науковою громадськістю відбулося восени 1927 на двох заходах - на загальній конференції фізиків у Комо, де Бор виступив з підсумковою доповіддю про нову ситуацію, і на так званому Сольвеєвському конгресі в Брюсселі, куди за традицією фонду Сольве була запрошена лише невелика група фахівців , яким належало грунтовно обговорити проблеми квантової теорії. Всі ми жили в одному готелі, і найгостріші дискусії проходили не в конференц-залі, а в ресторані готелю. Бор і Ейнштейн несли головний тягар цієї боротьби за нове тлумачення квантової теорії. Ейнштейн не був готовий до визнання принципово статистичного характеру нової квантової теорії. Зрозуміло, він не мав нічого проти імовірнісних висловлювань там, де вивчалася система невідома з точністю у всіх своїх визначальних моментах. Адже на подібних висловлюваннях спочивала колишня статистична механіка і вчення про теплоту. Але Ейнштейн не хотів допустити принципову неможливість пізнання всіх визначальних моментів, необхідних для повної детермінації розглянутих процесів. «Господь Бог не грає в кості» - цей вислів часто можна було почути від нього під час дискусій. Ейнштейн не міг тому примиритися з співвідношеннями невизначеностей і намагався придумати експерименти, в яких ці співвідношення вже не мали б місця. Суперечка зазвичай починався вже рано вранці тим, що Ейнштейн оголошував нам за сніданком новий уявний експеримент, з його точки зору спростовується співвідношення невизначеностей. Ми, природно, тут же починали його аналізувати, і по дорозі в конференц-зал, куди я зазвичай супроводжував Бора і Ейнштейна, досягали попередньої ясності щодо постановки питання і висунутої позиції. Потім протягом дня на цю тему велося багато розмов, і, як правило, все закінчувалося тим, що Нільс Бор ввечері за вечерею був уже в змозі довести Ейнштейну, що черговий запропонований ним експеримент теж не веде до скасування співвідношення невизначеностей. Ейнштейн здавався дещо стурбованим, але вже на наступний ранок у нього за сніданком був готовий новий уявний експеримент, ще більш складний і покликаний тепер уже напевно виявити недійсність співвідношення невизначеностей. Звичайно, до вечора і ця спроба закінчувалася не краще, ніж колишні, і коли в такій грі про- йшло кілька днів поспіль, один Ейнштейна Пауль Еренфест, фізик з Лейдена в Голландії, сказав: «Ейнштейн, мені соромно за тебе; адже ти сперечаєшся проти нової квантової теорії тепер точно так же, як твої супротивники проти теорії відносності». Але і це дружнє благаючи не змогло переконати Ейнштейна. І знову мені стало ясно, як нескінченно важко відмовитися від уявлень, які досі становили основи нашого мислення та наукової роботи. Ейнштейн присвятив працю всього свого життя дослідженню об'єктивного світу фізичних процесів, які десь там, зовні, в просторі та часі, протікають незалежно від нас по непорушним законам. Математичні символи теоретичної фізики були покликані, на його переконання, відображати цей об'єктивний світ і тим самим зробити можливими передбачення щодо його майбутньої поведінки. А тут раптом стали стверджувати, що якщо заглибитися в атоми, то такого об'єктивного світу в просторі і часі зовсім і немає і що математичні символи теоретичної фізики відображають лише можливе, а не фактичне. Ейнштейн не був готовий до того, щоб дозволити - як він це відчував - грунті піти у себе з-під ніг. І в свого подальшого життя, коли квантова теорія давно вже і міцно стала складовою частиною фізики, Ейнштейн теж не зміг змінити свою точку зору. Він допускав квантову теорію в якості тимчасового, але не брав в якості остаточного пояснення атомарних явищ. «Бог не грає в кості» - цей принцип був для Ейнштейна непохитним, і він нічого не бажав в ньому міняти. Бор на це міг лише відповісти: «Але все-таки наше завдання не може полягати в тому, щоб наказувати Богові, як Він повинен правити світом».
|
||
« Попередня | Наступна » | |
|
||
Інформація, релевантна "VI. ПРОРИВ В НОВУ ЗЕМЛЮ (І926-1927)" |
||
|