Лекция одиннадцатая курса “Квантовая революция“ (весна 2024)

Необходимость новой науки о микромире продвинутые умы ощущали уже в конце XIX века. Контуры этой науки понемногу прояснялись трудами Макса Планка, Альберта Эйнштейна, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора и др. Однако целую четверть века – до 1925 года новую науку построить не удавалось. Прорыв осуществил летом 1925 года Вернер Гейзенберг, предложивший после озарения на острове Гельголанд новый подход к изучению микромира – матричную механику. Она была оформлена к осени того же года усилиями трех гёттингенских физиков: Макса Борна, Вернера Гейзенберга и Паскуаля Йордана. Казалось, свершилось то, о чем мечтали четверть века все физики планеты. Но совершенно неожиданно, спустя всего несколько месяцев, появилась еще одна теория, не похожая на матричную механику: Эрвин Шрёдингер в серии статей обосновал механику волновую. Она была абсолютно не похожа на механику Гейзенберга, Борна и Йордана. Та была математическим исчислением, в котором использовались некоммутирующие величины и редко встречавшиеся ранее правила вычислений, и она не допускала никакого наглядного толкования; это был алгебраический подход, опиравшийся на экспериментально установленную дискретность спектральных линий и подчеркивавший элемент прерывности; хотя эта теория отвергала классическое описание явлений в пространстве и во времени, в конечном счете ее основным понятием была частица. Напротив, теория Шрёдингера основывалась на привычном аппарате дифференциальных уравнений, близком по духу классической механике сплошных сред, и вела к представлениям, легко допускающим наглядное толкование; это был аналитический подход, отправлявшийся от обобщения классических законов движения и подчеркивавший элемент непрерывности; как видно из названия теории, основным ее понятием была волна. И хотя Шрёдингер быстро доказал формальную эквивалентность обоих вариантов теории, их создатели не могли найти друг с другом общего языка. Вот что они думали о теориях их оппонентов. В июне 1926 года Вернер разоткровенничался перед другом Паули: «Чем больше я думаю о физической части теории Шрёдингера, тем более сомнительной я ее нахожу. То, что пишет Шрёдингер о ясности, едва ли имеет смысл; иными словами, я считаю, что это вздор». Шрёдингер в свою очередь подчеркивал отличие своей теории и матричной механики: «Моя теория была вызвана работами Л. Де Бройля и коротким, но бесконечно прозорливым замечанием А. Эйнштейна. Какой бы то ни было генетической связи с работами Гейзенберга я не чувствую. Я имел, конечно, представление о его теории, но из-за трудно мне дававшихся методов трансцендентной алгебры и отсутствия наглядности это отпугивало меня, более того, вызывало отвращение». При таком взаимном непонимании друг друга Гейзенбергу и Бору стало ясно, что необходимо разработать четкую интерпретацию квантовой механики, чтобы не было такого разброса мнений о ней. Этот процесс выработки интерпретации оказался очень трудным, болезненным и драматическим и продолжался с осени 1926 года по лето 1927-го. За это время Вернеру Гейзенбергу удалось получить знаменитые соотношения неопределенности, а Нильсу Бору – сформулировать принцип дополнительности. Рассказу об этом процессе завершения создания квантовой механики и посвящена настоящая лекция.