Ознакомительная версия.
В поры моего студенчества мы с друзьями боготворили многих физиков. Эйнштейна – за его непрошибаемую логику и радикальные мысли. Фейнмана и британского физика Поля Дирака (1902–1984) – за изобретение с виду противозаконных математических понятий и получение с их помощью потрясающих результатов. (Математики позднее все же совладают с ними и теоретически.) А Бора – за его чутье. Мы думали о них как о героях, сверхчеловеческих гениях, чье мышление всегда было ясным, а видение – верным. Ничего необычного в этом нет, думаю: все художники, предприниматели и фанаты спорта могут назвать людей, которых считают исполинами.
Когда я был студентом, нам говорили, до чего могучим было чутье Бора в квантовой физике – словно «прямая линия с Богом». Обсуждение рассвета квантовой теории часто включает великие прозрения Бора, однако редко поминаются его многочисленные заблуждения. Это естественно: выживают лишь дельные соображения, а ошибочные забываются. Увы, у нас при этом складывается ложное впечатление, что наука гораздо прямее и проще – по крайней мере, для некоторых «гениев», – чем она есть на самом деле.
Великий баскетболист Майкл Джордан однажды сказал: «Я за свою карьеру пропустил больше девяти тысяч мячей. Проиграл почти триста игр. Двадцать шесть раз мне доверили решающий бросок, и я его запорол. Я ошибался и проигрывал, ошибался и проигрывал. И потому преуспел»[372]. Он произнес это в рекламе «Найки», поскольку знать, что даже легенды проигрывают, но продолжают свое дело невзирая на неудачи, – штука вдохновляющая. Но в поле первооткрывательства и нововведений столь же ценно знать о заблуждениях Бора или о бесплодных попытках Ньютона в алхимии, чтобы признать: наши интеллектуальные идолы тоже приходили к ложным выводам, и неудачи их столь же громадны, как и те, что случаются с нами.
Бор, похоже, считал свою модель атома слишком радикальной, и это, да, интересно, но неудивительно: в науке, как и в обществе, все строится на определенных общих представлениях и верованиях, и Боровская модель в них не встраивалась. И потому все пионеры науки от Галилея и Ньютона до Бора и Эйнштейна – и далее – одной ногой стояли в прошлом, хотя воображение помогало им творить будущее.
В этом «революционеры» науки ничем не отличаются от впередсмотрящих в других областях. Взять, к примеру, Авраама Линкольна [Эйбрэхэма Линкена][373], освободителя рабов Американского Юга, который все же так и не смог избавиться от архаической веры, что расы никогда не смогут жить вместе в «общественном и политическом равенстве». Сам Линкольн понимал, что взгляды человека на рабство могут противоречить его терпимости к расовому неравенству. Но он отстаивал свое принятие превосходства белых, утверждая, что, «согласуется со справедливостью» такая позиция или нет, дело не в этом, а в том, что белое превосходство есть «всеобщее ощущение»[374], от коего, «благонамеренно оно или нет, нельзя взять и отказаться». Забыть о белом превосходстве, иными словами, даже для самого Линкольна было слишком радикальным шагом.
Если поспрашивать людей, почему они убеждены в том или этом, они обычно не настолько открыты и осознанны, как Линкольн. Мало кто признается, как это, по сути, сделал 16-й американский президент, что верит в то или это, потому что все в это верят. Или «потому что я всегда так считал», или «потому что меня научили в это верить семья и школа». Но, как отмечал Линкольн, это благонамеренная часть доводов. В обществе единые для всех ценности создают культуру, но временами – и несправедливость. В науке, искусстве и других областях, где важны творчество и новаторство, общие верования могут воздвигать барьеры на пути мышления. И поэтому перемены зачастую происходят рывками, и поэтому же Бор увяз в попытках видоизменить свою теорию.
Пусть новой теории Бора и сужден был провал, у нее все-таки имелось одно счастливое свойство: она заставила юного Гейзенберга хорошенько задуматься над следствиями исходной теории Бора. Постепенно его размышления начали двигать его к радикальному новому взгляду на физику: быть может, имеет смысл или даже необходимо отставить представление о физической картинке внутреннего устройства атома – об орбитальном движении электронов, к примеру, которое мы в силах вообразить, но на практике наблюдать не можем.
Теория Бора, как и теории классической физики, основывалась на математических значениях, приписанных свойствам вроде положения на орбите и скорости движения по ней электрона. В мире предметов – снарядов, маятников, планет – Ньютон изучал положение и скорость, которые можно наблюдать и измерять. Но экспериментаторы не могут лабораторно наблюдать, где у нас сейчас электрон или как споро он движется – если движется вообще. Коли классические понятия положения, скорости, пути, орбит и траекторий нельзя подтвердить наблюдением на атомном уровне, рассуждал Гейзенберг, быть может, следует завязать с созданием науки атома – или иных систем, основанных на нем. К чему цепляться за старое? Оно, решил Гейзенберг, – лишь умственный балласт, чистый XVII век.
Можно ли, спрашивал себя Гейзенберг, развить теорию, основанную только на данных об атоме, которые подлежат прямому измерению, например, на частотах и амплитудах излучения, испускаемого атомом?
Резерфорд противился Боровской модели атома, потому что Бор не предложил никакого механизма, как электрон переходит с одного энергетического уровня в атоме на другой; Гейзенберг разобрался с этим замечанием, не измыслив такой механизм, а объявив, что механизма нет, нет никакого пути, когда речь заходит об электронах, или во всяком случае сам вопрос – за пределами физики, потому что физики меряют поглощенный или испущенный свет в таких процессах, но не могут сами эти процессы наблюдать. К возвращению в Гёттинген весной 1925 года лектором в институте Борна Гейзенберг обрел мечту, цель – разработать новый подход к физике, основанный исключительно на измеряемых данных.
Создать радикально новую науку, которая откажется от интуитивного описания действительности, данного Ньютоном, и отречется от его базовых понятий вроде положения в пространстве и скорости, кои мы все можем себе представить и понять, – устремление бесшабашное для кого угодно, не говоря уже о двадцатитрехлетнем Гейзенберге. Но, как Александр Великий, изменивший политическую карту мира в свои двадцать два, молодой Гейзенберг возглавит поход, который перелицевал научную карту мира.
* * *
Теория, созданная Гейзенбергом по вдохновению, займет место Ньютоновых законов движения как фундаментальная теория природы. Макс Борн назовет ее «квантовой механикой»[375], чтобы отличать от законов Ньютона, которые часто называют ньютоновской, или классической, механикой. Но теории физики обретают вес благодаря своей предсказательной силе и точности, а не по общему согласию или вкусам, и потому интересно, как теория, основанная на такой причудливой мысли, как Гейзенбергова, смогла «заместить» столь основательную теорию, достигшую стольких успехов, как Ньютонова.
Вот ответ: хотя понятийный аппарат квантовой механики сильно отличается от ньютоновского, математические прогнозы этих теорий обычно различаются лишь для систем масштабов атома или мельче, где законы Ньютона перестают действовать. И потому, полностью окрепнув, квантовая механика объяснила странное поведение атома, не противореча устойчивым описаниям повседневных явлений, предоставленным теорией Ньютона. Гейзенберг и другие развивавшие квантовую теорию знали, что так все и должно быть, и разработали математическое выражение этой идеи, посредством которого можно было с толком проверять молодую теорию. Бор назвал это «принципом соответствия» в квантовой механике.
Как Гейзенбергу удалось создать крепкую теорию из того, что в те времена было, считай, философскими предпочтениями? Он поставил себе задачу перевести представление о физике, основанной на «наблюдаемом», то есть на измеримых количествах, в математический аппарат, который, как и Ньютонов, можно применять для описания физического мира. Разрабатываемая им теория должна была быть применима к любой физической системе, но он развивал ее в контексте мира атома и с начальной целью объяснить путем общей математической теории причины успеха Боровской частной модели.
Гейзенберг первым делом взялся определять наблюдаемые величины, подходящие для атома.
Поскольку в атомном мире мы измеряем частоту света, испускаемого атомом, а также амплитуду – или интенсивность – спектральных линий, именно эти свойства Гейзенберг и выбрал. Затем он применил методы традиционной математической физики, чтобы вывести связь между классическими ньютоновскими наблюдаемыми величинами – положением в пространстве и скоростью – и спектральными данными. Он задался целью заместить с помощью этой выявленной взаимосвязи все величины, наблюдаемые в Ньютоновой физике, квантовым эквивалентом. Как выяснится, этот шаг требовал и творческого подхода, и смелости, потому что Гейзенбергу нужно было превратить положение в пространстве и импульс в математические сущности, оказавшиеся и новыми, и диковинными.
Ознакомительная версия.
