(продолжение. Начало в №7/2018 и сл.)
Спин и термзоология
В письме Эйнштейну от 15 июля 1925 года Макс Борн дает высокую оценку своим молодым ассистентам и упомянул новую работу Гейзенберга:
«Вообще, мои молодые люди Гейзенберг, Йордан, Хунд — блестящи. Я часто должен очень напрягаться, чтобы быть в состоянии следовать за их рассуждениями. Они владеют так называемой термзоологией великолепно. Новая работа Гейзенберга, которая скоро выйдет, выглядит очень мистически, но она определенно правильна и глубока…» [Einstein-Born, 1969 стр. 121].
Смысл необычного термина, появившегося в этом отрывке, Бор поясняет в комментарии к своему письму:
«Выражение «термзоология» используется у нас для описания нагромождения экспериментальных данных о спектральных линиях и их расщеплении на «термы», которые означают, согласно Бору, уровни энергии возбужденного атома. Для найденных при этом закономерностей нет никакой удовлетворительной теории, они должны рассматриваться как эмпирические факты, как в зоологии воспринимаются отличительные признаки видов» [Einstein-Born, 1969 стр. 124].
Вернер Гейзенберг – самый молодой профессор в Германии. 1927 г. Архив университета в Штутгарте.
Через две недели этот термин использует Вернер Гейзенберг в названии своего доклада «Термзоология и Зееманботаника», сделанного 28 июля в так называемом «Клубе Капицы» в Кембридже. Этому событию предшествовала напряженная неделя в Голландии, где шефство над гостем профессор Эренфест поручил своему студенту Сэмюэлю Гаудсмиту (Samuel Goudsmit), на год моложе Гейзенберга. Хотя по возрасту Сэмюэль подходит к «поколению вундеркиндов», совершивших революцию в физике ХХ века, но себя вундеркиндом или гением скромный Гаудсмит не считал. Тем не менее, его имя навсегда вписано в историю науки, так как Гаудсмит вместе с Джорджем (Георгом) Уленбеком ввели в научный оборот понятие «спина электрона» — одно из важнейших понятий квантовой физики. Это произошло в том же 1925 году, в котором родилась квантовая механика.
Гаудсмит и Уленбек – почти ровесники, Уленбек на два года старше. Они хорошо дополняли друг друга, так как были во многих отношениях антиподами. Джордж Уленбек родился в столице голландкой колонии Ост-Индии Батавии (теперь это столица Индонезии Джакарта) в 1900 году. В год, когда мальчику исполнилось пять лет, семья переехала в Голландию и поселилась в Гааге. Окончив в 1918 году обычную школу, а не гимназию, сразу поступить в университет Джордж не мог, поэтому начал учиться в Технологическом институте в Дельфте, и только на следующий год смог перейти в Лейденский университет, где посещал лекции Пауля Эренфеста. Семья Уленбека жила бедно, юноша постоянно нуждался в деньгах. Поэтому он на три года, с 1922 по 1925, прервал обучение в Лейдене, чтобы поработать школьным учителем у сына голландского посла в Риме. Эти «римские каникулы» много дали для общего естественно-научного и гуманитарного образования юноши, но чуть не стоили ему физической карьеры, так как он увлекся историей культуры и практически забросил физику. Правда, в Риме он оказал этой науке большую услугу: по совету Эренфеста разыскал молодого человека по имени Энрико Ферми, который опубликовал несколько неплохих работ по теории относительности. Энрико только что вернулся из Гёттингена, где проходил стажировку у Макса Борна. Как и для Паули, строгость математического стиля Борна показалась непривлекательной для молодого итальянца. Он на какое-то время решил, что не создан для физики, и подумывал уже сменить профессию. Встреча с Уленбеком и его настоятельный совет приехать в Лейден к профессору Эренфесту снова обратили Ферми к физике.
Джордж Уленбек и Сэмюэль Гаудсмит
В 1925 году, судьбоносном для квантовой физики, Уленбек вернулся в Лейден, чтобы завершить образование физика. Эренфест предложил юноше поработать вместе с Сэмюэлем Гаудсмитом над атомными спектрами.
Путь в науку у Сэмюэля был не таким причудливым, как у Джорджа, и материальных проблем в детстве он не знал, так как родился в Гааге в 1902 году в семье обеспеченных еврейских предпринимателей. Сэм еще в школе увлекся физикой, в частности, спектроскопией. Став студентом Лейденского университета в 1919 году, он вскоре присоединился к Институту Эренфеста. Тот сразу оценил способности юноши к экспериментальной работе и направил его три дня в неделю работать в Амстердаме ассистентом знаменитого Питера Зеемана (Pieter Zeeman), имя которого не раз появлялось на этих страницах. Гаудсмит настолько усовершенствовался в спектроскопии, что Эренфест, принимая у Сэмюэля экзамен, в присутствии Эйнштейна сказал:
«Проблема у меня с вами в том, что я не знаю, что вас спросить: про спектральные линии вы знаете все. Можно я спрошу вас про уравнения Максвелла и связанные с ними вещи?» [Goudsmit-I, 1963].
Альберт Эйнштейн и Пауль Эренфест
На что студент, не очень сильный в этой области, взмолился: «Пожалуйста, не надо!». Молва добавляет к этому ответу еще одну фразу: «Эту часть у нас всегда делает Джордж». Это хорошо характеризует распределение обязанностей в творческом союзе Гаудсмита и Уленбека, хотя Сэмюэль отрицает, что говорил так на самом деле.
Интерес к спектроскопии у Гаудсмита еще более укрепился после встречи со знаменитым немецким физиком-экспериментатором Фридрихом Пашеном (Friedrich Paschen), который научил юношу новейшим методам спектрального анализа.
Сотрудничество Гаудсмита с Джорджем Уленбеком оказалось полезным для обоих молодых ученых. Много лет спустя Сэмюэль вспоминал:
«…как физики мы с Уленбеком мало походили друг на друга. Это лучше всего объяснить на следующем упрощенном примере. Когда я ему рассказал о g-факторах Ланде, то он спросил, к моему большому удивлению: „Кто такой Ланде?“. Когда же он упомянул четыре степени свободы электрона, то я спросил его: „А что такое степень свободы?“» [Гаудсмит, 1967 стр. 155].
Совместная работа таких разных ученых оказалась плодотворной: им удалось приписать электрону еще одну характеристику, связанную в классической физике с вращением вокруг своей оси. Гаудсмит и Уленбек предположили, что электрон вращается, наподобие детской игрушки «волчок», причем вращение возможно в обе стороны. Новую характеристику назвали «спин», она могла принимать два значения, и с ее помощью удалось естественным образом объяснить многие непонятные до тех пор квантовые явления. Она прекрасно вписалась и в принцип запрета Паули, готовящийся к публикации как раз в это время.
О своем предложении Гаудсмит и Уленбек написали краткую заметку и передали ее Эренфесту, чтобы он направил ее в журнал «Naturwissenschaften» («Естественные науки»). Однако уверенности в справедливости результатов не было, так как представление о заряженном электроне, который вращается, как волчок, приводило с точки зрения классической физики к противоречиям. Чтобы развеять сомнения, Эренфест написал 16 октября 1925 года письмо Хедрику Лоренцу и рассказал о проблемах своих студентов. Патриарху голландской физики исполнилось в то время 72 года, он считался почетным пенсионером, профессором-эмеритусом, жил в Гарлеме, но еще читал лекции раз в неделю по понедельникам с 11 до 12 часов в Лейденском университете. В следующий понедельник, 19 октября, Уленбек пришел на лекцию Лоренца и рассказал о проблеме. Спустя почти сорок лет Джордж вспоминал в интервью Томасу Куну:
«Лоренц был, конечно, почти богом для всех, включая Эренфеста, во всяком случае, для всех в Голландии – абсолютным авторитетом» [Uhlenbeck-II, 1962].
Во время разговора Лоренц выглядел доброжелательно и заинтересованно, хотя Уленбек почувствовал сдержанность и скептический настрой. Лоренц пообещал подумать и дать ответ в следующий понедельник.
Через неделю или две, Уленбек уже точно не помнил, Лоренц передал ему толстую пачку исписанных формулами листов. Главным итогом была доказанная невозможность с позиций классической физики вращающегося вокруг своей оси электрона. В интервью Уленбек пояснил:
«Единственная вещь была ясна из его объяснения, единственная вещь, которую я действительно помню, состояла в указании на знаменитую трудность, что магнитная энергия должна была быть очень большой. Если вы верите в эквивалентность массы и энергии, то вы должны взять радиус электрона огромным, чтобы обеспечить такую энергию. Иначе говоря, при таких электрической и магнитной энергиях он будет очень тяжелым. Я взял старый радиус, и тогда электрон был таким же тяжелым, как протон. Это было явной глупостью» [Uhlenbeck-II, 1962].
Сидят (слева направо): Эдингтон, Лоренц. Стоят (слева направо): Эйнштейн, Эренфест, де Ситтер, 1923 г., Лейден
Кстати, Лоренц потом опубликовал свои расчеты, они стали основой его доклада на конференции в Комо, о которой речь у нас пойдет впереди. Эта была последняя публикация великого голландца, он умер через несколько месяцев после той конференции.
Уленбек вспоминал, что отзыв Лоренца не слишком расстроил его и Сэма Гаудсмита – они оба все равно думали, что их открытие несостоятельно, иначе люди давно бы уже это свойство электрона обнаружили. Молодые люди решили не рисковать, пришли к Эренфесту и попросили не публиковать статью.
К счастью, они опоздали: Эренфест сообщил, что статья уже сравнительно давно послана в журнал и должна выйти на следующей неделе. А Гаудсмиту профессор сказал:
«Спин может быть и ошибкой, но у тебя пока нет никакой репутации, следовательно, тебе нечего терять, если ты это опубликуешь» [Гаудсмит, 1967 стр. 156].
Уленбек этот совет запомнил в такой форме: «Хорошо, вы оба юны, можете еще делать глупости» [Uhlenbeck-II, 1962].
Заметка Уленбека и Гаудсмита (такой порядок авторов предложил Эренфест, чтобы имя Уленбека, впервые публикующего статью, запомнилось читателю) уместилась всего на одной странице журнала, вышедшего в свет 20 ноября 1925 года. Этот день может считаться днем рождения спина.
Идея спина, что называется, носилась в воздухе, в той или иной форме ее высказывали многие, может быть, поэтому Нобелевскую премию за открытие спина не дали никому. Особенно обидно должно было быть юному физику Ральфу Кронигу, который, работая в Копенгагене, высказал за год до Гаудсмита и Уленбека практически ту же идею, но решил ее не публиковать, так как Паули ее высмеял. Сейчас многие связывают понятие спина с именем Паули, но он долгое время не принимал идею спина как характеристику вращающегося вокруг собственной оси электрона.
Вернер Гейзенберг в Лейпциге, начало 30-х годов
Одним из главных аргументов Паули был непонятный множитель «2», который возникал при расчете тонкой структуры атома водорода, если допустить существование спина электрона. На это же обратил внимание Гаудсмита и Уленбека Вернер Гейзенберг, написав им в день, когда вышла их работа, письмо, в котором назвал ее «смелой заметкой», но поинтересовался, как они избавились от злосчастного коэффициента 2? Авторы, по молодости, даже не знали об этой проблеме, тем более не представляли, как с ней можно справиться.
Понятие спина и связанную с ним проблему множителя 2 активно обсуждали на квартире Эренфеста приехавшие в Лейден в начале декабря 1925 года на празднование 50-летия докторской работы Лоренца Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Все они согласились с авторами статьи в «Naturwissenschaften», что понятие спина правильное, «но коэффициент 2 оставался загадкой» [Гаудсмит, 1967 стр. 156].
Разрешить эту трудность удалось с помощью теории относительности молодому физику Люэлину Томасу (Liewellyn Hilleth Thomas) из Кембриджа. Он тщательно проанализировал преобразования между системами отсчета, связанными с электроном и ядро атома, и «показал, что чисто релятивистская прецессия, которая не была замечена другими, вызывает как раз желаемый эффект» [Гаудсмит, 1967 стр. 157]. Но и его работу Паули принял не сразу. Прочитав рукопись статьи Томаса, Паули написал Нильсу Бору отрицательный отзыв:
«В любом случае я считаю работу Томаса ошибкой, глупостью, и был бы признателен, если бы вы остановили ее публикацию или внесли в нее соответствующие изменения» [Carretero, 2015 стр. 81].
В феврале 1926 года Паули был все еще против спина. Он написал:
«Сегодня ко мне приходил Гаудсмит, и мы говорили о работе Томаса. Я все больше убеждаюсь, что все мои возражения справедливы» [Carretero, 2015 стр. 82].
Однако позднее Вольфганг признал свою ошибку в возражениях против расчетов Томаса. В открытке, направленной Гаудсмиту 13 марта 1926 года, он «взял обратно свои возражения» [Гаудсмит, 1967 стр. 157]. Идея спина электрона была принята Паули полностью, и стала теперь неотъемлемой частью представления о структуре атома. Вольфганг честно признается:
«Мне не остается ничего другого, как полностью капитулировать. Я пришел к убеждению, что ошибался в своих возражениях против теории Томаса е его соображениях о теории относительности. Должен признать, что вопрос о тонкой структуре, наконец, прояснен удовлетворительным образом» [Carretero, 2015 стр. 82-83][1].
Физиков-современников волновала моральная проблема, состоявшая в том, что Паули фактически лишил Кронига приоритета в открытии спина. Бор считал, что Крониг сам виноват в этом, потому что ученый должен публиковать свои идеи, если уверен в них, не заботясь о том, что скажут другие физики, даже известные и знаменитые. Молодые физики, напротив, видели в происшедшем вину Паули. В том же марте 1926 года, когда идея спина была принята мэтром, Томас написал Гаудсмиту такое письмо:
«Я полагаю, что тебе и Уленбеку очень повезло, что ваша работа о вращающемся электроне была опубликована и обсуждена до того, как об этом услышал Паули. Похоже, что Крониг более года назад думал о вращающемся электроне и что-то разработал по этому вопросу. Первый человек, которому он это показал, был Паули. Паули высмеял все дело до такой степени, что первый человек стал и последним, и никто больше об этом ничего не услышал. Все это показывает, что непогрешимость божественной сущности не распространяется на ее самозваного наместника на земле» [Гаудсмит, 1967 стр. 157].
Кто-то из острословов сочинил даже стишок по этому поводу:
«Der Kronig hätt’den Spin entdeckt, hätt‘ Pauli ihn nicht abgeschreckt» («Нашел бы Крониг спин, да Паули охоту сбил») [Carretero, 2015 стр. 83].
Заканчивая воспоминания об открытии спина, самокритичный и скромный Сэмюэль Гаудсмит признается: «вовсе не нужно быть гением, чтобы внести вклад в науку» [Гаудсмит, 1967 стр. 158].
«Наука может быть прекрасной, а не только интересной»
Страсти вокруг спина разгорелись осенью 1925 года, а в июле, когда Гейзенберг впервые прибыл в Голландию, Сэмюэль Гаудсмит принимал его не как соавтор открытия новой квантовой характеристики электрона, а как простой студент и гостеприимный хозяин, показывающий гостю свою страну. Через несколько дней, переехав в Англию, Гейзенберг благодарил своего спутника:
«Это было, действительно, очень мило с Вашей стороны, что Вы провели меня по всей Голландии и показали всё прекрасное, что есть в Гааге и Амстердаме» [Rechenberg, 2010 стр. 352].
Очевидно, что Вернер и жил в Гааге в доме Гаудсмитов, потому что в письме из Кембриджа передает приветы «уважаемым родителям и невесте» Сэмюэля. В Голландии Гейзенберг не только осматривал достопримечательности, но и вел напряженные научные беседы в Лейденском университете. На знаменитой доске в кабинете Эренфеста, где гости профессора оставляли свои подписи, Гейзенберг расписался 26 июля 1925 года. В тот же день вечером он уже был в Кембридже. Перед этим проехал с экскурсией по Лондону. В письме Гаудсмиту, с которым успел подружиться, Вернер признается:
«В Лондоне мне очень понравились старые здания, Тауэр, Вестминстерское аббатство, церковь Варфоломея; они сразу делают живыми до того мертвые картинки английской истории» [Rechenberg, 2010 стр. 353].
Ральф Фаулер
В Кембридже Гейзенберг остановился у пригласившего его профессора Ральфа Фаулера. Так получилось, что самого хозяина и его жены Эйлин (Eileen), единственной дочери Эрнеста Резерфорда, в этот вечер не было дома. Много позже Вернер вспоминал в интервью, как необычно сложился его первый день в этом старинном университетском центре.
«Он [Фаулер] поручил служанке обеспечить меня завтраком и едой в течение дня. Утром я встал на завтрак, но тут же заснул прямо за столом. Служанка убрала завтрак. Днем она снова вошла и сказала, что ланч готов. Я ничего не слышал и спал дальше. Озадаченная, она унесла и ланч тоже. Во второй половине дня она сообщила мне, что можно было бы попить чаю, на что я ответил „да“ и продолжал спать, то же произошло и с обедом. Примерно в 9 часов вечера Фаулер вернулся домой из Лондона. Девушка была страшно возбуждена и рассказала ему, что я должно быть болен, может быть, даже при смерти. Фаулер вошел ко мне в комнату, я заметил его и сказал: „О, привет, Фаулер!“. Он спросил: „Что с Вами? Вы больны?“. Я ответил: „Нет, мне, действительно, хорошо. Я полностью здоров“» [Rechenberg, 2010 стр. 353].
Проспав в общей сложности 36 часов, Гейзенберг восстановился от страшной усталости. Дело, конечно, не в утомительных экскурсиях по Голландии и Лондону, не в смене климата, а в напряженной умственной работе, начавшейся еще до Гельголанда и закончившейся только в Гёттингене. Теперь Вернер снова был в форме, весь день 28 июля он провел с Фаулером в прогулках по кембриджским паркам, беседуя о физике. Гостеприимный хозяин показывал гостю Кавендишскую лабораторию, в частности, огромную динамо-машину, построенную Петром Капицей для получения магнитного поля в миллион гаусс. А вечером Фаулер привел Гейзенберга в «Клуб Капицы», где Вернер сделал доклад, про который он написал Гаудсмиту:
«У нас был коллоквиум по термзоологии, это было, действительно, славно и занимательно, англичане – очень приветливые люди» [Rechenberg, 2010 стр. 353].
Петр Капица
Энергичный Петр Капица, работавший с Резерфордом с 1921 года, организовал Клуб в Кембридже для живого обмена мнениями по актуальным вопросам физики. Заседания проводились каждый вторник, сначала на квартире Капицы, а с 1924 года в аудитории Кавендишской лаборатории. Атмосфера на заседаниях царила непринужденная, многие участники сидели прямо на полу, вопросы можно было задавать любые, не стесняясь осуждения специалистов. Тон задавал сам основатель Клуба, показывая пример молодым участникам заседаний. Темы поднимались разные, но наибольший интерес вызывали вопросы атомной физики. Так осенью 1924 года с тремя докладами о работах его института в Гёттингене выступал Джеймс Франк.
С Гейзенбергом Капица познакомился в Гёттингене в начале июля того же 1925 года и пригласил его выступить в своем Клубе. В дневнике «Клуба Капицы» тема доклада Гейзенберга 28 июля названа, как было сказано, «Термзоология и Зееманботаника». В докладе рассматривались проблемы спектроскопии на основе предыдущих работ Гейзенберга, а в конце выступления Вернер сказал несколько слов новом подходе, рожденном на Гельголанде. Присутствовавший на докладе молодой студент профессора Фаулера Поль Дирак, еще один из «поколения вундеркиндов», совершивших вторую революцию в физике, так вспоминал о докладе Гейзенберга:
«Летом 1925 г. Гейзенберг приехал в Кембридж и выступил с докладом в Клубе Капицы. Основной темой его доклада были «Аномалии в эффекте Зеемана», и я почти все понимал. Однако в конце, когда Гейзенберг рассказывал о своих новых идеях, я уже слишком устал, чтобы следить за докладом, и перестал его воспринимать. Гейзенберг же говорил о возникновении своих идей о новой механике. Но я совершенно не осознавал, что Гейзенберг в этот момент вводит нечто совершенно революционное, а потом и вовсе забыл все, что он говорил по поводу новой теории. Более того, я был почти уверен, что о ней вообще не шла речь, но люди, присутствовавшие на том заседании Клуба Капицы, уверяли меня, что я ошибаюсь. В частности, Фаулер был в этом убежден, и мне остается лишь поверить в то, что Гейзенберг действительно рассказывал о своих идеях, а я просто никак на них не отреагировал и, таким образом, упустил счастливую возможность начать заниматься новой механикой» [Дирак, 1987 стр. 113].
Знакомство Дирака с результатами Гейзенберга, заложившими основу новой квантовой механики, произошло немного позже.
О своих результатах, полученных на Гельголанде и закрепленных в рукописи, отданной Борну для публикации, Вернер рассказал профессору Фаулеру уже у него дома, так как тот из-за своей лекции доклад не слышал. Профессор весьма заинтересовался и попросил прислать ему копию статьи, когда та будет готова. Эту просьбу Вернер выполнил через месяц, когда получил от редакции журнала два экземпляра верстки статьи для корректуры.
О первой поездке в Англию Гейзенберг сохранил на всю жизнь самые лучшие воспоминания, ему понравилась и страна, и люди, с которыми он познакомился. В письме родителям 30 июля 1925 года он сообщает:
«Тихие дворы и фонтаны, готические арки, розы и гвоздики, над всем этим разлит покой, которого в Германии в научной жизни нигде не найдешь, разве что в монастыре Бойрон (Beuron)[2], но на то он и монастырь. В жизни местных профессоров ощущается этот другой мир и не чувствуется ничего, что характерно для немецких университетов» [Heisenberg-Eltern, 2003 стр. 93].
Кембриджский университет
Больше всего понравились Вернеру старые английские колледжи, где он «впервые понял, что наука может быть прекрасной, а не только интересной» (из письма Сэмюэлю Гаудсмиту из Кембриджа 28 июля 1925 года) [Rechenberg, 2010 стр. 355].Древние обычаи тут живы, несмотря на то, что им уже сотни лет. Однажды он почувствовал себя неловко, когда пришел в обычном костюме на обед в старом зале одного колледжа и должен был сидеть между профессорами в длинных мантиях. С другой стороны, он рассказывал родителям, что научные доклады, и его собственный не исключение, проводятся «в небольших помещениях с камином, при этом люди сидят на полу, на ступенях или на подоконниках». Представление об англичанах как чопорных, сухих людях оказалось абсолютно неверным. Прием, который ему оказали в Кембридже, особенно внимание к нему в доме зятя Резерфорда заложили основы многолетних дружеских и научных отношений с английскими коллегами. Показателен такой факт: в распоряжение молодого немецкого гостя была предоставлена автомашина Резерфорда с шофером. Вернер писал родителям:
«Кстати, я езжу большей частью на машине Резерфорда (его здесь нет, он поехал в Австралию); я теперь редко хожу пешком. И в Лондон отсюда я поеду (послезавтра), скорее всего, на машине» [Heisenberg-Eltern, 2003 стр. 93-94].
Мало какой профессор в Германии пользовался такими привилегиями, как молодой доцент из Гёттингена в Кембридже.
Судьба еще не опубликованной рукописи
Из Англии Вернер отправился прямиком на Балтику, где на острове Рюген проходил всегерманский слет бойскаутов. Вот где Гейзенберг смог полностью отключиться от физики. В письме домой от 9 августа он сообщает:
«Собственно, я был бы рад урвать немного времени для сна, но вокруг столько прекрасного: купание, игры, чтение, пение, каждый день заполнен приключениями, хождениями под парусами, ночными купаниями в море, невозможно описать, как это всё прекрасно» [Heisenberg-Eltern, 2003 стр. 94].
Активный отдых на острове Рюген продолжался до 15 августа, затем Вернер поспешил в родной Мюнхен, чтобы встретиться с родителями и побродить по любимым баварским горам. Далее его путь лежал снова на север, сначала в Данциг, где 9 сентября состоялась физическая конференция, а потом в Копенгаген, где он должен был отработать в Институте Нильса Бора стипендию Рокфеллеровского фонда. В Гёттинген он больше не вернулся, но связь с оставшимися там коллегами продолжалась.
Паскуаль Йордан
Еще в Мюнхене Вернер получил письмо от Макса Борна, в котором профессор сообщил ему, что продолжает исследования по квантовой механике и вместе со своим новым помощником Паскуалем Йорданом продвинулся в развитии идеи Гейзенберга, изложенной в ожидающей выхода в свет статье. Эта новость обрадовала молодого ученого, в ней он увидел подтверждение правильность своего подхода, в чем он все-таки немного сомневался. Конечно, он знал, что Борн одобрил результаты его озарения на Гельголанде, так как послал статью Гейзенберга в журнал – в Мюнхене Вернер получил два экземпляра верстки статьи для корректуры. Но то, что профессор сам развивает это направление, говорило о перспективности его подхода.
Один экземпляр верстки своей статьи Гейзенберг вернул в редакцию журнала с исправлением ошибок, а второй, как обещал, отослал в Кембридж профессору Фаулеру, а тот передал ее своему ученику Полю Дираку с вопросом: «Как она Вам?».
У Гейзенберга оставался только оригинал статьи, но и с ним он вскоре расстался: Макс Борн передал просьбу Йордана, прислать экземпляр статьи для работы. Вернер выполнил просьбу Борна, но взамен хотел бы получить последние результаты совместной работы Борна и Йордана. В открытке, отправленной Паскуалю 20 августа, Гейзенберг писал:
«От Борна я слышал, что вы добились большого прогресса в квантовой механике, и мне бы, естественно, хотелось больше узнать о ваших расчетах. По словам Борна, Вы хотели получить верстку моей работы. Так как, к сожалению, версток у меня больше нет, я посылаю Вам рукопись. Я был бы Вам очень признателен, если бы Вы могли мне в ближайшее время сообщить о ваших расчетах» [Rechenberg, 2010 стр. 356].
Полученный от Гейзенберга экземпляр верстки статьи Фаулер передал для ознакомления своему студенту Полю Дираку. Спустя сорок с лишним лет Дирак вспоминал:
«У меня была серьезная причина восхищаться Гейзенбергом. Он и я были студентами и исследователями в одно и то же время, мы с ним примерно одного возраста, и мы работали над одними и теми же вопросами. Гейзенберг имел успех там, где я провалился. К этому времени накопилось огромное число спектроскопических данных, и Гейзенберг нашел правильный путь, как их понять. Этим он открыл золотой век теоретической физики, и несколько лет спустя любому второсортному студенту было не трудно получить первоклассные результаты» [Kleinknecht, 2017 стр. 88].
Поль Дирак
Получив текст статьи Гейзенберга, Поль Дирак стал искать подходящую математическую форму для нового подхода и вскоре построил непротиворечивую модель, описав ее в статье «Фундаментальные уравнения квантовой механики» [Dirac, 1925], вышедшей в свет первого декабря того же 1925 года. Отвечая любезностью на любезность, Дирак послал Гейзенбергу верстку своей статьи, и тот «прочитал необыкновенно прекрасную работу о квантовой механике с огромным интересом» [Kleinknecht, 2017 стр. 95].
Заканчивая свою историческую статью «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений», Гейзенберг откровенно пишет о недостаточном математическом основании этой работы и выражает надежду, что более продвинутые в математике коллеги помогут исправить этот недостаток:
«Можно ли метод определения квантовотеоретических данных на основе соотношений между наблюдаемыми величинами, подобный предложенному здесь, уже считать в принципе удовлетворительным, или же этот метод все еще представляет собой слишком грубый подход к физической, с самого начала явно очень сложной проблеме квантовотеоретической механики,— это станет ясным только после глубокого математического исследования метода, примененного здесь лишь очень поверхностно» [Гейзенберг, 1977 стр. 586].
Можно сказать, что автору повезло: статья еще не успела выйти в свет, а он уже нашел в двух научных центрах – Гёттингене и Кембридже – последователей, успешно решивших мучавшую его проблему. Макс Борн и Паскуаль Йордан в Германии и Поль Дирак в Англии практически одновременно построили адекватный математический аппарат, ставший фундаментом новой науки – квантовой механики.
(продолжение следует)
Литература
Carretero, Juan Antonio Caballero. 2015. Танец электронов. Паули. Спин. Наука. Величайшие теории: выпуск 48. Пер. с итал. М. : Де Агостини, 2015.
Dirac, Paul. 1925. The Fundamental Equations of Quantum Mechanics. Proceedings of the Royal Society of London, Series A, Vol. 109, pp. 642-653.1925 г.
Einstein-Born. 1969. Albert Einstein – Hedwig und Max Born. Briefwechsel 1916-1955. München : Nymphenburger Verlagshandlung, 1969.
Goudsmit-I. 1963. Samuel A. Goudsmit – Session I. Interviewed by Thomas S. Kuhn. Location Rockefeller Institute. Oral History Interviews. [В Интернете] 5 December 1963 г. [Цитировано: 16 November 2018 г.] https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4640-1.
Heisenberg-Eltern. 2003. Werner Heisenberg: Liebe Eltern. Briefe aus kritischer Zeit. 1918-1945. Hrsg. von A.M. Hirsch-Heisenberg. München : Langer-Müller Verlag, 2003.
Kleinknecht, Konrad. 2017. Einstein und Heisenberg. Begründer der modernen Physik. Stuttgart : Verlag W. Kohlhammer, 2017.
Rechenberg, Helmut. 2010. Werner Heisenberg – die Sprache der Atome. Gedruckt in zwei Bänder. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2010.
Uhlenbeck-II. 1962. George Uhlenbeck – Session II. Interviewed by Thomas S. Kuhn. Location Rockefeller Institute, New York, New York.Oral History Interviews. [В Интернете] 31 March 1962 г. [Цитировано: 16 November 2018 г.] https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4922-2.
Гаудсмит, С. 1967. Открытие спина электрона. Успехи физических наук, том 93, вып.1, с. 151-158. 1967 г.
Гейзенберг, Вернер. 1977. О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений. Успехи физических наук, т. 122, с. 574–586. 1977 г.
Дирак, Поль. 1987. Воспоминания о необычайной эпохе. Перевод статьи 1972 года Н.Я. Смородинской. Успехи физических наук, т. 153, вып. 1, с. 105-134. 1987 г.
Примечания
[1] Более точный перевод оригинала письма должен был звучать так: «Я пишу Вам сегодня, чтобы сообщить, что на основе последних сообщений из Копенгагена я пришел сейчас к убеждению, что был неправ в своих возражениях против Томаса и что его релятивистские соображения можно привести в полностью корректную и свободную от возражений форму. Тонкая структура сейчас действительно удовлетворительно прояснена» [Pauli-Briefe, 1979 стр. 313].
[2] Бенедиктинский монастырь на Верхнем Дунае в немецкой общине Бойрон в земле Баден-Вюртемберг.
* Серия моих статей под названием «Эпизоды революции вундеркиндов» в другой, чем здесь, редакции публикуется в журнале «Наука и жизнь», начиная с № 9/2018.
Оригинал: http://7i.7iskusstv.com/2018-nomer11-berkovich/
