Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

Волновая механика может объяснить постоянство орбит электронов, расположенных вокруг атомного ядра. Из-за необходимости конструктивной интерференции для орбит возможны только определенные длины волн – т.н. стоячие волны. Таким образом, что-то непрерывное (волна) порождает что-то дискретное (орбиту электрона).

В 1913 году Нильс Бор из Копенгагена проводил исследования у Резерфорда в Манчестере и обнаружил, как можно объяснить спектры атомов и стабильность электронных орбит: используя постоянную Планка, Бор доказал, что электроны локализованы строго по определенным (квантованным) орбитам и перемещаются между ними «вверх и вниз» – в зависимости от поглощения или испускания квантов энергии. Эйнштейн восхищался открытиями Бора как «высшей музыкальностью в области мысли» и сам продолжал исследовать эти проблемы. В ноябре 1905 года он в общих чертах завершил первую работу по квантовой теории твердого тела; его расчеты были экспериментально подтверждены несколькими годами позже. В 1916 году Эйнштейн писал о квантовых эффектах излучения. Его работа стала основой теории лазера. Это название (сокращение: «light amplification by stimulated emission of radiation» – «усиление света посредством вынужденного (индуцированного) излучения») было придумано только в 1950-х годах, когда началось производство первых «лучевых ножей».

В 1924 году Эйнштейн разработал статистический подход для описания определенных частиц, таких как фотоны; в этом ему помогала присланная из Бангладеш работа молодого физика Шатьендраната Бозе[141]. Удивительный вывод: «При сверхнизкой температуре молекулы „конденсируются“[142]без сил притяжения, то есть они накапливаются при снижении скорости до нуля». Эйнштейн рассказал об этом своему другу Паулю Эренфесту и сказал: «Теория симпатичная, но есть ли в ней хоть слово правды?» Теперь в этом можно быть уверенным: в 1995 году физикам впервые удалось создать такую «сверххолодную» материю, в которой частицы теряют свою индивидуальность. Это странное состояние теперь называется «конденсатом Бозе – Эйнштейна», а все частицы, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнштейна, называются «бозонами».

Эйнштейн не только был одним из основателей квантовой физики, но и обогатил ее многочисленными идеями, которые остаются важными и по сей день и дают возможность для все более широкого практического применения.

С другой стороны, хотя поначалу Эйнштейн значительно опережал свое время в понимании квантового мира, с 1925 года он все более критически относился к дальнейшему развитию квантовой теории; хотя он и не выступал против нее, но все же больше ею не занимался, в чем многие его обвиняли. Некоторые достижения, особенно в области квантовой теории поля и электродинамики, он не мог изучать подробно; но об основах квантовой теории он размышлял до конца своей жизни – даже чаще, чем о теории относительности в целом.

Играет ли Бог в кости?

В 1925 и 1926 годах в развитии квантовой теории наступил новый этап. Вернер Гейзенберг[143] и его коллеги разработали матричную механику, основанную на концепции о частицах, а Эрвин Шредингер разработал волновую механику. Вскоре было показано, что оба подхода математически эквивалентны (равноправны). И они успешно прошли все экспериментальные испытания – вплоть до настоящего времени. Более того, в 1927 году Гейзенберг сформулировал свой знаменитый принцип неопределенности, согласно которому природа не только квантована в своих основах, но и странно размыта: постоянная Планка указывает предел того, насколько точно такие величины, как координата и импульс или время и энергия, могут быть одновременно (!) определены. Чем точнее вы знаете одно значение, тем более неопределенным становится другое. И это не просто «случайная случайность» – такие эффекты связаны, к примеру, с явлением радиоактивности.

Эйнштейн следил за этими выводами с «необыкновенным волнением», как он писал, и часто обсуждал их с коллегами в письмах, на научных конференциях или просто приезжая в гости. Это были, например, легендарные споры с Бором на Сольвеевских конгрессах[144] в Брюсселе в 1927 и 1930 годах. При этом Эйнштейн продолжал восхищаться Бором и оставался его другом всю жизнь.

Эйнштейн снова и снова выдвигал возражения и предлагал мысленные эксперименты, которые Бор вскоре смог опровергнуть. Поначалу Эйнштейна в основном беспокоила, казалось бы, очень важная роль случайности в квантовой физике. 4 декабря 1926 года он написал Максу Борну в письме, получившем известность благодаря статистической интерпретации уравнения Шрёдингера:

Этим замечанием, которое Эйнштейн впоследствии повторял еще чаще, он выразил свое беспокойство по поводу случайности и чисто статистического подхода в новой квантовой теории. Эти слова часто переводятся как «Бог не играет в кости!», и они вызвали много недоразумений. Эйнштейн здесь, конечно, не имел в виду богословских вопросов. Он говорил о законах природы. Он настаивал на существовании независимого от восприятия людей и тем не менее постижимого мира, но он не верил ни в нематериальные души, ни в загробную жизнь, ни в Бога. Поэтому многочисленные попытки «вписать» его теории в рамки религии, предпринятые еще при жизни Эйнштейна, столь же необоснованны, сколь и дерзки; он также всегда решительно выступал против этого. Для него любая религия была «воплощением самых детских суеверий». В 1954 году он сказал одному философу[146]:

Жуткое дальнодействие

Самое позднее в 1931 году Эйнштейн признал принцип неопределенности и непротиворечивость квантовой физики. В сентябрьском письме в Нобелевский комитет в Стокгольме он даже предложил Гейзенберга и Шрёдингера как кандидатов на Нобелевскую премию. При этом он писал: «Это учение, по моему убеждению, несомненно, содержит в себе частичку высшей истины». Однако вопрос о том, является ли квантовая теория законченной и не стоит ли «копнуть глубже», по-прежнему оставался для него открытым. Представители так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики[147], по существу сформулированной Бором и Гейзенбергом, категорически отвергли такую необходимость, например, введение «скрытых переменных»[148].

В 1935 году Эйнштейн, живший уже в Америке, в Принстоне, снова атаковал квантовую теорию. В статье, опубликованной совместно с Борисом Подольским[149] и Натаном Розеном, он показал, что квантовая теория должна быть неполной, если она подчиняется условию локальности[150]. Этот «принцип близкодействия», как он его еще называл, реализован