(продолжение. Начало в №7/2018 и сл.)
«Эйнштейн, мне стыдно за тебя»
Пятому Сольвеевскому конгрессу, состоявшемуся в Брюсселе в 1927 году, многие ученые придавали особое значение. Во-первых, он должен был прекратить бессмысленное и вредное для науки противостояние американских, английских, французских и бельгийских физиков с одной стороны и их немецких и австрийских коллег с другой. Напряжение возникло в годы Первой мировой войны и не прекратилось с ее окончанием. Отсутствие творческих контактов, совместного обсуждения актуальных проблем мешало работе, сдерживало научный прогресс. Во-вторых, со времен Первого Сольвеевского конгресса 1911 года сохранялась надежда, что «мозговой штурм» в коллективе таких выдающихся ученых приведет к новому прорыву, прояснит то, что еще не до конца понятно.
Идея Сольвеевских конгрессов родилась благодаря счастливой встрече в 1910 году немецкого физика и химика Вальтера Нернста, профессора Берлинского университета и члена Прусской академии наук, с бельгийским промышленником и меценатом Эрнестом Сольве, разбогатевшем на разработанном им новом способе получения соды из поваренной соли.
Эрнест Сольве
Свое состояние Сольве щедро тратил на благотворительность. Так, в 1894 году он создал при Свободном университете Брюсселя Институт социальных наук, а в 1903 году – там же Школу бизнеса Сольве. Эрнеста интересовали и чисто теоретические вопросы структуры материи, в том числе проблемы гравитации и электромагнетизма. Вальтер и Эрнест случайно встретились в доме бельгийского физика и изобретателя Роберта Гольдшмидта. В завязавшемся разговоре Сольве упомянул о своем увлечении физикой и о подготовленной статье о гравитации, которую хотел бы показать выдающимся ученым того времени. Тогда-то в голове Нернста и родилась идея, используя желание и возможности Сольве, организовать международную научную конференцию, посвященную теме, волновавшей умы физиков того времени: теории излучения и квантам. Несмотря на то, что пять лет назад Альберт Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, используя понятие светового кванта, большинство физиков не были уверены в реальности существования этой поначалу умозрительной конструкции, предложенной Максом Планком в 1900 году.
Вальтер Нернст
Вальтер Нернст поделился с Планком идеей международной конференции и встретил полное ее одобрение. Планк согласился участвовать в подготовке и проведении первого Сольвеевского конгресса по физике, как стали называть эту встречу. Нернст и Планк обсудили состав участников. По их общему мнению, в конференции должны участвовать ученые, не только имевшие большие заслуги в прошлом, но и способные сегодня предложить и оценить новые физические идеи.
После согласования всех деталей было решено провести первый Сольвеевский конгресс в Брюсселе с 30 октября по 3 ноября 1911 года. Президентом Конгресса был назначен Хендрик Лоренц (Голландия). От Германии в работе Конгресса участвовали Нернст, Планк, Рубенс, Зоммерфельд, Варбург, Вин. От Англии приглашено два участника: Джинс и Резерфорд. От Франции в работе конгресса участвовало пятеро ученых: Склодовская-Кюри, Бриллюэн, Перрен, Пуанкаре, Ланжевен. От Австро-Венгрии – Эйнштейн и Хазенёрль (Эйнштейн был в это время профессором в Праге, входившей в состав Австро-Венгрии). От Голландии и Дании по одному участнику, соответственно, Камерлинг-Оннес и Кнудсен. Кроме того, работу Конгресса поддерживали три секретаря: Гольдшмидт (Брюссель), Морис де Бройль (Париж) и Линдеманн (Берлин). Заседания проходили в в роскошном отеле «Метрополь» в центре бельгийской столицы.
Макс Планк
По мнению участников встречи в Брюсселе, обмен мнениями по актуальным проблемам физики был весьма полезным. Удачным оказался выбор президента конгресса Хендрика Лоренца, ведшего заседания, по словам Эйнштейна, «с несравненным тактом и невероятной виртуозностью». Лоренц свободно владел всеми тремя официальными языками конгресса (французским, немецким и английским) и был энциклопедически образованным человеком. Немалую роль сыграла, конечно, и щедрость мецената. В письме Эрнесту Сольве, написанном 22 ноября 1911 года после возвращения из Брюсселя в Прагу, Эйнштейн благодарил организатора конференции:
«Искреннее спасибо Вам за исключительно прекрасную неделю, которую Вы нам обеспечили в Брюсселе, и не в последнюю очередь благодаря Вашему гостеприимству. Сольвеевский конгресс навсегда останется одним из самых прекрасных воспоминаний моей жизни» [Mehra, 1975 стр. XIV].
Труды Первого Сольвеевского конгресса усилиями Мориса де Бройля и Поля Ланжевена были изданы в начале следующего года. Именно эти работы побудили младшего брата Мориса Луи де Бройля заняться физикой, что привело к эпохальному открытию волн материи.
Участники первого Сольвеевского конгресса, 1911
Воодушевленный успехом первого конгресса, Эрнест Сольве по совету Лоренца создал 1 мая 1912 года специальный фонд, названный «Международным Сольвеевским институтом физики», для организации, по крайней мере, в течение следующих тридцати лет новых научных встреч. Фондом руководили два комитета: Административный и Международный научный. В состав Административного комитета входили три бельгийца: сам Эрнест Сольве или лицо, им назначенное, и два члена, назначаемые, соответственно, королем Бельгии и Свободным университетом Брюсселя. Международный научный сольвеевский комитет состоял из девяти постоянных членов, к которым, по необходимости, могли бы добавляться «экстраординарные» участники. На момент создания фонда в Международный научный сольвеевский комитет входили Хендрик Антон Лоренц (президент), Мари Склодовская-Кюри, Марсель Бриллюэн, Роберт Гольдшмидт, Хейке Камерлинг-Оннес, Мартин Кнудсен, Вальтер Нернст, Эрнест Резерфорд и Эмиль Варбург. По воле Сольве все будущие конгрессы по физике должны проходить тоже в Брюсселе.
Участники второго Сольвеевского конгресса 1913 г.
Второй Сольвеевский конгресс состоялся в 1913 году и был посвящен теме «Структура материи». Темой третьего конгресса выбрали «Атомы и электроны», но провести его помешала Первая мировая война, поэтому он состоялся лишь в 1921 году. Тогда же было решено проводить встречи каждые три года.
Участники третьего Сольвеевского конгресса 1921 г.
Два послевоенных Сольвеевских конгресса проходили без участия немецких и австрийских ученых, так как им был объявлен международный бойкот. Научное сообщество не забыло манифест девяноста трех выдающихся немецких интеллектуалов, озаглавленный «Призыв к культурному миру» («Aufruf an die Kulturwelt»). Он был опубликован 4 октября 1914 года после того, как немецкие войска нарушили нейтралитет Бельгии и оккупировали эту маленькую страну, объявившую о своем неучастии в войне. Среди подписавших манифест насчитывалось 58 профессоров, из них 22 по естествознанию и медицине. Под обращением поставили свои подписи Макс Планк, Пауль Эрлих, Конрад Рентген, Альберт Найссер, Фриц Габер, Вальтер Нернст, Филипп Ленард… Отказались присоединиться к воинственным патриотам Давид Гильберт и Альберт Эйнштейн.
Каждый абзац в манифесте начинался со слова «Неправда»: «Неправда, что Германия повинна в этой войне» и т. д. Патриотический угар был так силен, что некоторые подписывали текст, не читая. Через несколько лет многие выражали сожаление, что участвовали в этом протесте. Планк уже в 1916 году написал открытое письмо, в котором отказывался безоговорочно поддерживать действия немецких военных.
Вместо понимания манифест вызвал бурю протестов в странах, воюющих против Германии и ее союзников. Послевоенный бойкот затронул различные науки. Например, организаторы международных математических конгрессов в Страсбурге (1920) и в Торонто (1924) не пригласили ни одного математика из Германии. То же произошло с Сольвеевскими конгрессами 1921 и 1924 годов. Потребовалась настойчивая и терпеливая разъяснительная работа Эйнштейна, Гильберта, Планка, Лоренца и других выдающихся ученых, чтобы бойкот был, в конце концов, отменен.
В начале 1926 года вновь собрался Международный сольвеевский научный комитет, в состав которого тогда входили Хендрик Антон Лоренц (президент), Уильям Генри Брэгг, Мари Склодовская-Кюри, Альберт Эйнштейн, Шарль Гюи, Мартин Кнудсен (секретарь), Поль Ланжевен, Оуэн Уилланс Ричардсон, Эдмонд ван Обель. По мнению комитета центром внимания очередного Сольвеевского конгресса должна стать квантовая механика, родившаяся через год после проведения предыдущей встречи 1924 года. Эта тема однозначно предполагала снятие бойкота немецкоговорящих ученых, ибо основные результаты по ней получены физиками из Германии и Австрии.
Выбор темы «Электроны и фотоны» для пятого Сольвеевского конгресса отражал интерес Международного научного комитета к той же проблеме, над которой бились Гейзенберг и Бор, когда в течение долгих месяцев разбирались в противоречиях корпускулярно-волнового дуализма. Электроны в названии темы символизировали материальные частицы, а фотоны выступали носителями волновых свойств света. Термин «фотон», заменяющий эйнштейновский «квант света», родился незадолго до начала конгресса – его предложил американский физик и химик Гильберт Льюис в 1926 году, опубликовав в журнале «Nature» статью «Сохранение фотонов» [Lewis, 1926]. Научные доклады, отбираемые Сольвеевским комитетом для конференции, должны были показать различные подходы ученых к взаимоотношениям волн и частиц в микромире.
Лоренц предложил Эйнштейну выступить на конгрессе с пленарным докладом. В письме от 1 мая 1926 года великий физик согласился, подчеркнув уважение к старшему коллеге:
«Если Вы хотите, чтобы я взялся за доклад по квантовой статистике, то я сделаю это с удовольствием, потому что, если я не нахожусь в особо трудном положении, то Вам я никогда не могу сказать „нет“» [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 234].
Откликаясь на другую просьбу Лоренца, Эйнштейн назвал еще несколько докладчиков. Прежде всего, он упомянул Эрвина Шрёдингера, чье видение современной атомной физики соответствовало эйнштейновским вкусам:
«Шрёдингеровская версия квантовой теории производит на меня сильное впечатление, она мне кажется частью правды, хотя значение волн в n-мерных q-пространствах остается довольно темным» [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 234].
Следующих докладчиков Эйнштейн предлагал выбрать из группы физиков другого направления – Гейзенберга, Франка, Борна, Паули, – и отметил, что выбор этот весьма нелегок:
«Если я должен решать, не принимая во внимание личности, а только руководствуясь степенью оригинальности и той пользой, которую получит конференция, я, вероятно, выбрал бы Гейзенберга и Франка, так как два других [т.е. Борн и Паули] не могут показать открытий такой важности. Если нужно ограничиться только теоретиками, то я бы выбрал Гейзенберга и Борна, так как было бы нечестно поставить Паули выше Борна. Все же в таком выборе есть что-то жестокое, но этого уже не изменишь» [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 234].
Сам автор теории относительности живо интересовался успехами квантовой механики, вел активную переписку с Максом Борном, Вернером Гейзенбергом и Эрвином Шрёдингером, но собственных работ, развивающих подходы указанных авторов, не публиковал. Его отношение к матричной механике менялось очень быстро. Эйнштейн одним из первых заметил результат Гейзенберга и уже 20 сентября 1925 года писал Паулю Эренфесту: «Гейзенберг снес большое квантовое яйцо» [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 276].
А 25 декабря того же года в письме старому другу Мишелю Бессо Эйнштейн высказывался о новой науке немного двусмысленно:
«Самое интересное теоретическое достижение последнего времени — это теория квантовых состояний Гейзенберга – Борна – Йордана. Настоящее колдовское исчисление, в котором вместо декартовых координат появляются бесконечные определители (матрицы). В высшей степени остроумно и благодаря своей сложности застраховано от доказательства ошибочности» [Einstein-Besso, 1978 стр. 15].
Несмотря на то, что в теории матриц, на которую опиралась квантовая механика, Эйнштейн чувствовал себя не очень уверенно, он пытался разобраться в сути нового подхода к явлениям микромира. Вывод, к которому он пришел, был неутешителен для теории Гейзенберга-Борна-Йордана. В письме Паулю Эренфесту от 12 февраля 1926 года Эйнштейн сообщает:
«Я продолжаю много заниматься схемой Гейзенберга-Борна. Все более и более я прихожу к мнению, что идея, несмотря на все мое восхищение ею, неверна» [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 276].
Тем не менее, всего через две недели, в письме Хедвиг Борн от 7 марта 1926 года автор теории относительности с восхищением пишет о квантовой механике:
«Идеи Гейзенберга-Борна захватили чувства и мысли всех ученых, интересующихся теорий, и мы, толстокожие тугодумы, вместо унылого смирения ощущаем теперь редкое для нас волнение». [Einstein-Born, 1969 стр. 127].
Комментируя это письмо, Макс Борн пишет, что он и Гейзенберг были рады услышать такое мнение великого физика о теории, которую они развивали. И продолжает: «Однако скоро пришло охлаждение» [Einstein-Born, 1969 стр. 127].
В письме от 4 декабря Эйнштейн говорит Борну о квантовой механике уже другим тоном, не забыв упомянуть свою излюбленную поговорку о Боге и азартных играх:
«Квантовая механика производит сильное впечатление. Но внутренний голос говорит мне, что не в ней суть проблемы. Эта теория дает многое, но вряд ли она приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. Во всяком случае, я убежден, что Он не играет в кости» [Einstein-Born, 1969 стр. 129-130].
Борн не скрывал своего разочарования:
«Приговор квантовой механике, вынесенный Эйнштейном, стал для меня тяжелым ударом: он отверг ее, правда, без какого-либо обоснования, ссылаясь только на „внутренний голос“. Это отрицание играет в последующих письмах большую роль. Оно покоится на глубоком философском расхождении во мнениях, которое отделяет Эйнштейна от более молодого поколения, к которому отношусь и я, хотя я только на три года моложе Эйнштейна» [Einstein-Born, 1969 стр. 127].
Расхождение во мнениях Эйнштейна и молодого поколения физиков, о котором говорит Макс Борн, связано, прежде всего, со статистическим описанием физических явлений, которое предлагает квантовая механика. Эйнштейн всю жизнь был убежден, что физика помогает человеку получить точные знания об объективно существующем внешнем мире. Макс Борн и его молодые коллеги, ученики и ассистенты постепенно приходили к выводу, что это, на самом деле, не так. Вот как это сформулировал сам Борн:
«В каждый момент времени мы имеем лишь грубые, приближенные знания объективного мира, и отсюда с помощью определенных правил, вероятностных законов квантовой механики, мы можем сделать заключения о неизвестных (будущих) состояниях» [Einstein-Born, 1969 стр. 119].
Последний раз Эйнштейн одобрительно отозвался на достижения квантовой механики в письме Мишелю Бессо от 1 мая 1926 года: «Шрёдингер сделал две замечательные работы о правилах квантования (Ann. d. Phys., 1926, 79). Раскрывается глубокая истина» [Пайс, 1989 стр. 423]. После этого великий физик не сказал о квантовой механике ни одного доброго слова.
Однако собственных усилий внести ясность в новую науку о микромире он не оставил и через год подготовил статью с длинным названием: «Полностью или только статистически определяет волновая механика Шрёдингера движение системы?». В ней он пытался показать, что соотношения неопределенности Гейзенберга не всегда справедливы. Эта статья была представлена заседанию Прусской академии наук 5 мая 1927 года и рекомендована к печати [Kirsten-Treder, 1979 стр. 268]. Однако статья так и не вышла в свет. Когда она была уже в типографском наборе, автор позвонил в издательство и забрал ее назад. Уберег великого физика от позора сам автор соотношения неопределенностей. Узнав о подготовке такого «опровержения» одной из самых важных своих работ, он 19 мая написал Эйнштейну письмо, в котором просил более подробных сведений, «в особенности потому, что очень много думал над этими вопросами и поверил в соотношение неопределенностей только из-за угрызений совести, хотя теперь уверен в нем полностью» [Пайс, 1989 стр. 425-426].
В конце концов, от доклада на Пятом Сольвеевском конгрессе Эйнштейн отказался. В письме Лоренцу от 17 июня 1927 года он признавался:
«Я помню, что обещал вам подготовить для Сольвеевской конференции доклад о квантовых статистиках. После долгих колебаний я пришел к заключению, что недостаточно компетентен, чтобы подготовить доклад таким образом, который действительно соответствует положению вещей. Причина в том, что я не в состоянии активно участвовать в современном развитии квантовой теории в той мере, как это необходимо для поставленной цели. Отчасти потому, что моих способностей не хватает, чтобы полностью охватить стремительное развитие теории, но также и потому, что я не разделяю чисто статистический способ мышления, на котором она основана… До последнего момента я продолжал надеяться, что смогу внести в Брюсселе что-то ценное. Теперь я оставил эту надежду. Прошу вас не сердиться на меня из-за этого; мне далось это нелегко, хотя я старался изо всех сил» [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 241].
Вместо себя Эйнштейн посоветовал Лоренцу пригласить в качестве докладчика Энрико Ферми из Италии или Поля Ланжевена из Франции. Ни одну из этих кандидатур Международный научный сольвеевский комитет не утвердил. Зато члены комитета охотно включили в программу доклад Нильса Бора и совместное выступление Макса Борна и Вернера Гейзенберга. А вот предложенная Эйнштейном кандидатура Эрвина Шрёдингера была единогласно утверждена.
Официальное приглашение Шрёдингеру принять участие в Пятом Сольвеевском конгрессе Лоренц направил 21 января 1927 года. В нем говорилось:
«В конце октября этого года (с 24 по 29) в Брюсселе снова состоится физический конгресс, организованный Международным Сольвеевским институтом физики, как и та конференция 1924 года, в которой Вы принимали участие. С удовольствием сообщаю Вам, что Административным комитетом и Международным научным комитетом Вы приглашены участвовать и в этом небольшом конгрессе. Тема для наших дискуссий выбрана следующая: „Квантовая теория и классические теории излучения“, и мы будем заниматься в особенности противоречиями между сегодняшними и более ранними концепциями и опытами по развитию новой механики» [Meyenn, 2011 стр. 382].
В этом письме Лоренц перечисляет ученых, которых Сольвеевский комитет пригласил участвовать в конгрессе: «Бор, Борн, У.Л. Брэгг, Л. Бриллюэн, А.Х. Комптон, Дебай, Деландр, Эренфест, Р.Г. Фаулер, Гейзенберг, Крамерс, Планк и Ч.Т.Р. Вильсон» [Meyenn, 2011 стр. 382]. Здесь, как мы видим, нет Паули. Решение пригласить молодого гения из Гамбурга пришло позже, перед самым открытием конгресса в Брюсселе. Официальное приглашение на пятый Сольвеевский конгресс Вольфганг получил от 74-летнего патриарха голландской физики и бессменного президента Сольвеевского научного комитета Хендрика Антона Лоренца 5 сентября 1927 года:
«От имени Научного комитета „Международного Сольвеевского института физики“ с радостью приглашаю Вас на конференцию, которая состоится приблизительно с 24 до 29 октября в Брюсселе. Она будет посвящена новой квантовой механике и связанным с ней вопросам. Для дискуссий у нас будут доклады господ Борна и Гейзенберга, У.Л. Брэгга, Л. де Бройля, Комптона и Шрёдингера. Вы нам доставите большую радость, если сможете участвовать в этой конференции» [Pauli-Briefe, 1979 стр. 408].
Из выдающихся специалистов по теме конгресса, принадлежащих к старшему поколению, не были приглашены только Резерфорд из Англии и Зоммерфельд из Германии. Огорченный отказом комитета пригласить мюнхенского коллегу Макс Планк даже колебался, ехать ли ему самому в Брюссель, о чем он писал Максу Борну 14 июня 1927 года [Mehra-Rechenberg-6, 2000 стр. 233]. Из юных участников «революции вундеркиндов» на Пятый Сольвеевский конгресс не был приглашен только Паскуаль Йордан – Научный Сольвеевский комитет стремился сделать круг приглашенных как можно ýже.
Участники пятого Сольвеевского конгресса, 1927 г.
Молодые Паули и Гейзенберг могли гордиться, что причислены к элитарному кругу приглашенных ученых. Особенно рад был Вернер Гейзенберг, которому доверили сделать пленарный доклад (совместно с Максом Борном). Поначалу он ожидал критики со стороны Эйнштейна и Шрёдингера. Но его доклад прошел без особых споров по принципиальным вопросам. Вернер опасался дискуссии после доклада Нильса Бора, назначенного на 28 октября, предпоследний день конгресса. В письме матери от 27 октября 1927 года он называет обсуждение боровского доклада «битвой»:
«Мой доклад я делал сегодня утром, собственно битва начнется завтра. Кстати, завтра после обеда мы едем на официальный прием в Сорбонне и вернемся рано утром в пятницу. Сплошная езда. Но вообще тут интересно. Сегодня вечером я был в опере, которая, действительно, весьма прилична. Также здесь много приятных физиков, но…» [Heisenberg-Eltern, 2003 стр. 126].
Вернер Гейзенберг
Гейзенберга интересовали не только доклады теоретиков, он внимательно следил и за сообщениями знаменитых экспериментаторов, чьи опыты оказали большое влияние на его собственные суждения о микромире: американца Артура Холли Комптона и австралийца Уильяма Лоренса Брэгга. Комптон, кстати, получил в том же 1927 году Нобелевскую премию по физике. Уильям Лоренс Брэгг был удостоен этой премии раньше – он получил ее в 1915 году вместе с отцом Уильямом Генри Брэггом. В Брюсселе Брэгг-сын рассказывал об отражении рентгеновских лучей.
При обсуждении доклада Комптона о расхождении эксперимента с теорией электромагнитного излучения Макс Борн поднял вопрос об импульсе фотона, имеющего определенную частоту. В обсуждении приняли участие Поль Дирак и Уильям Лоренс Брэгг. Любопытно, что этот вопрос был впервые рассмотрен Альбертом Эйнштейном в работе 1916 года «К квантовой теории излучения» [Einstein, 1916], но присутствовавший на докладах автор этой работы в дискуссиях не участвовал, хранил молчание [Mehra, 1975 стр. 141]. Было похоже, что его сейчас интересует другая проблема, которую он в свободное от докладов время неустанно обсуждал с Нильсом Бором и его учениками. Речь в этих обсуждениях шла о статистической интерпретации квантовой механики и о соотношении неопределенностей. Зато другие участники конгресса при обсуждении доклада Комптона были активны. В дискуссии выступили также Бор, Ричардсон, Дебай, Эренфест, Крамерс, Паули и Шрёдингер [Mehra, 1975 стр. 142].
Луи де Бройль
Наибольший интерес участников вызвали, конечно, доклады творцов квантовой механики. Чтобы не обидеть никого из теоретиков, участвовавших в пятом Сольвеевском конгрессе, организаторы определили очередность докладов по году опубликования основополагающих идей их авторов. Первым был поставлен доклад Луи де Бройля, который в 1924 году выдвинул смелую гипотезу о волнах материи. За ним выступали Макс Борн и Вернер Гейзенберг, построившие в сотрудничестве с Паскуалем Йорданом в 1925 году матричную механику. Следующим докладчиком среди физиков-теоретиков стал Эрвин Шрёдингер, чьи работы по волновой механике увидели свет в 1926 году. И, наконец, завершающим в этой серии докладов стало выступление Нильса Бора 28 октября в рамках «общей дискуссии», как значилось в программе конгресса.
В докладе «Новая динамика квантов» Луи де Бройль рассказал о своих ранних работах, которые потом использовались Шрёдингером и Борном. Статистическая интерпретация волновой функции, которую предложил Макс Борн, де Бройля, как и Эйнштейна, не удовлетворяла, но что-то разумное взамен он предложить не смог. Большинство собравшихся физиков поддерживали квантовую механику в интерпретации Борна, Гейзенберга и Бора.
Впоследствии де Бройль говорил, что из-за негативной реакции аудитории пятого Сольвеевского конгресса он отказался от своих попыток опровергнуть статистические построения Борна и присоединился к копенгагенской интерпретации квантовой механики [Джеммер, 1985 стр. 346].
Макс Борн
В совместном докладе Макса Борна и Вернера Гейзенберга подробно говорилось о матричной механике и вероятностной интерпретации ее результатов. Суть ее выразил Борн:
«Квантовая механика ведет к точным результатам относительно средних значений, но не дает информации о деталях индивидуального события. Следует отказаться от детерминизма, который до сих пор считался основой точных наук. Каждое движение вперед в нашем понимании формул обнаруживало, что последовательная интерпретация квантовомеханического формализма возможна только в предположении фундаментального индетерминизма» [Джеммер, 1985 стр. 346].
В свою очередь Вернер Гейзенберг подчеркнул роль соотношения неопределенностей:
«Истинный смысл постоянной Планка h состоит в том, что она дает универсальный масштаб индетерминизма, внутренне присущего законам природы, поскольку он обусловлен дуализмом волна – частица» [Rechenberg, 2010 стр. 613].
Совместный доклад Борна и Гейзенберга напечатан в переводе на французский язык в сборнике трудов конгресса [Solvay-Institut, 1928] без указания авторов тех или иных фрагментов, но под заключительной фразой доклада, без сомнения, мог бы подписаться любой из них:
«Мы утверждаем, что квантовая механика является полной теорией, а ее основные физические и математические гипотезы более не нуждаются в модификации» [Джеммер, 1985 стр. 346].
Выступление Альберта Эйнштейна
С таким утверждением был категорически не согласен Альберт Эйнштейн, который, как мы увидим, сначала пытался показать противоречивость новой теории, а когда это не удалось, стал утверждать, что теория неполна и должна быть расширена в будущем, чтобы вернуть в нее привычный детерминизм классической физики.
В дискуссии по докладу Борна и Гейзенберга обсуждалась в основном копенгагенская интерпретация квантовой механики. С целью пояснить статистическую суть волновой функции Поль Дирак предложил понятие «выбор природы». По его словам, волновая функция может быть разложена в сумму вспомогательных волновых функций с соответствующими коэффициентами. В определенный момент времени природа выбирает какой-то член суммы с вероятностью, равной квадрату соответствующего коэффициента. Этот выбор и определяет будущие состояния системы. Это мнение уточнил Вернер Гейзенберг, сказав, что вместо «выбора природы» он предпочитает говорить «наблюдение». Именно такой язык они развивали вместе с Нильсом Бором [Mehra, 1975 стр. 149].
Следующим докладчиком на конгрессе выступал Эрвин Шрёдингер. Темой его выступления значилась «Волновая механика». Эта тема оказалась ближе и понятнее слушателям, чем более абстрактная матричная механика Гейзенберга и его соавторов, поэтому дискуссия получилась более оживленной. В обсуждении доклада Шредингера выступили Нильс Бор, Макс Борн, Ральф Говард Фаулер, Хендрик Антон Лоренц, Вернер Гейзенберг.
Кульминацией конгресса стало выступление Нильса Бора на общей дискуссии и последовавшее за этим обсуждение философских вопросов квантовой механики. Из-за болезни Бор пропустил третий Сольвеевский конгресс в 1921 году, темой которого были «атомы и электроны». На этом конгрессе он должен был сделать доклад, который вместо него по тексту автора прочитал Пауль Эренфест. На четвертый конгресс, состоявшийся через три года, в 1924 году, Бора не пригласили, так как тема «Электрическая проводимость металлов» была немного в стороне от его интересов. Зато состав пятого Сольвеевского конгресса без автора принципа дополнительности был бы непредставителен. Поэтому на участии Нильса Бора в работе конгресса 1927 года настаивал Хендрик Антон Лоренц. В письме Бору от 7 июня 1926 года президент Научного Сольвеевского комитета писал о конгрессе в следующем году:
«Лично я был бы очень рад, если бы Вы смогли приехать в это время. Действительно, было бы ужасно, если бы мы без Вас должны были обсуждать вопросы, стоящие в программе» [Rechenberg, 2010 стр. 614].
Поначалу Бор не рассматривался как докладчик на пятом конгрессе, но в последний момент Нильс принял предложение Сольвеевского комитета выступить в общей дискуссии с докладом «Квантовый постулат и новое развитие атомистики» [Бор, 1928].
В сборник трудов конгресса вместо текста доклада Нильс Бор послал французский перевод своей статьи, вышедшей позже в журнале «Naturwissenschaften» [Bohr, 1928a]. Однако, судя по сохранившимся в архиве Бора записям, сделанным во время его выступления Хендриком Крамерсом и секретарем конгресса Жюль-Эмилем Вершаффельтом, можно утверждать, что отклонения опубликованного текста от реально сказанного с брюссельской трибуны незначительны.
Нильс Бор обсуждает свое выступление
Участникам Сольвеевского конгресса Бор рассказывал о принципе дополнительности, к которому он пришел в том же 1927 году. Этот доклад развивал и уточнял недавнее сообщение в Комо. Как мы помним, по окончанию конференции Бор и Паули уединились на неделю там же на одной из вилл на берегу озера, чтобы переработать в статью сделанный копенгагенским профессором доклад. Вернувшись домой, Бор послал этот материал в журнал «Naturwissenschaften» 11 октября, то есть за десять дней до начала конгресса в Брюсселе. И хотя текст еще несколько раз уточнялся автором, в своей основе он остался неизменным. Полемика с Эйнштейном во время пятого Сольвеевского конгресса не заставила Бора существенно изменить изложение.
Первоначальная реакция слушателей Сольвеевского конгресса на доклад главы копенгагенской школы была вялой, по словам участника конгресса Леона Бриллюэна многие не были подготовлены к такому подходу, оратор их не убедил и не увлек. Но после того, как открывший общую дискуссию Макс Борн напомнил о статистическом подходе квантовой механики к явлениям микромира, слово взял молчавший до того Альберт Эйнштейн. Если не знать скромность и прямоту Эйнштейна, то первую фразу его выступления можно было бы посчитать кокетством: «Я должен принести извинения, что выступаю в дискуссии, не внеся существенного вклада в развитие квантовой механики» [Эйнштейн, 1966 стр. 528].
И далее привел мысленный эксперимент, который должен был прояснить суть квантовой механики: ограничена ли она в описании физических явлений на уровне атомов соотношением неопределенностей Гейзенберга или дальнейшее углубление теории может эти ограничения преодолеть. Эксперимент выглядел очень просто: пучок электронов падает на экран, имеющий небольшое отверстие. За отверстием расположен второй экран в форме полусферической фотопленки. Прошедшие через отверстие электроны дают на фотопленке дифракционную картину, как следует из волновых представлений де Бройля и Шрёдингера. Вопрос Эйнштейна состоял в следующем: позволяет ли квантовая механика описать поведение отдельного электрона?
Ответ самого Эйнштейна определенно отрицательный: квантовая механика не позволяет дать точное описание движения отдельного электрона. Волновая функция, связанная с конкретным электроном, будет распределена по всему второму экрану, так что согласно интерпретации волновой функции по Максу Борну для любой точки фотопленки вероятность попадания в нее электрона отлична от нуля. Но как только в какой-то точке регистрируется попадание туда электрона, то вероятность попадания во все остальные точки мгновенно обращается в нуль. Отсюда следует, что между точкой попадания электрона и любой другой точкой фотопленки имело место некоторое особенное мгновенно распространяемое действие, а это, по словам Эйнштейна, противоречит постулату теории относительности.
В трудах Сольвеевского конгресса 1927 года нет ответа Нильса Бора на выступление Эйнштейна. Бор подробно рассмотрел его аргументы спустя более чем двадцать лет – в статье 1949 года в сборнике, посвященном семидесятилетию автора теории относительности (немецкий текст [Bohr, 1951], русский перевод [Бор, 1971]).
С точки зрения квантовой механики ответ на вопрос Эйнштейна прост: эта теория применима к индивидуальным процессам, но не может выйти за рамки принципа неопределенности, накладывающего ограничение на объем информации, который можно получить из конкретного эксперимента.
Квантовая механика отрицает возможность точного предсказания движения отдельного электрона. Вместо этого она позволяет найти вероятность, с которой тот или иной электрон попадет в заданную область фотопленки. С точки зрения квантовой механики невозможность получить полную информацию о положении и скорости частицы есть проявление закона природы. С этим Эйнштейн не мог и не хотел смириться. Он привык считать, что вероятностное описание реальных процессов есть следствие нашей неполной информируемости: вот лучше разберемся в деталях процесса и заменим статистическое описание детерминированным. Мы уже видели, что «Бог не играет в кости» – любимая поговорка Эйнштейна.
Нильс Бор и Альберт Эйнштейн
В трудах пятого Сольвеевского конгресса о других выступлениях Эйнштейна ничего не говорится. Зато о его спорах с Бором в неофициальной обстановке оставили воспоминания многие участники. Вот что писал Вернер Гейзенберг в воспоминаниях о Нильсе Боре:
«Дискуссия свелась вскоре к дуэли между Эйнштейном и Бором по вопросу о том, можно ли считать, что квантовая теория в современной форме решает те проблемы, которые десятилетиями обсуждались учеными. Мы встречались, как правило, за завтраком в отеле, и Эйнштейн начинал описывать мысленный эксперимент, при котором, как он считал, будут отчетливо видны внутренние противоречия копенгагенской интерпретации. После этого Эйнштейн, Бор и я шли вместе от отеля к зданию, где проходил конгресс, и я слушал оживленную дискуссию между ними, такими разными по философским убеждениям людьми, и вставлял время от времени замечания о структуре математического формализма. Во время заседания и, главным образом, во время перерывов мы, более молодые, особенно Паули и я, анализировали эйнштейновские эксперименты, во время обеда проходили дальнейшие обсуждения между Бором и другими копенгагенцами. Ближе к вечеру у Бора был уже готов полноценный анализ мысленного эксперимента и за ужином он предлагал его Эйнштейну. Против анализа Эйнштейн не мог ничего по существу возразить, но в душе он оставался непреклонным» [Heisenberg, 1971 стр. 68-69].
На следующий день всё повторялось: утром контрпример Эйнштейна, днем его обсуждение группой молодых теоретиков, вечером опровержение Бора и новое подтверждение правильности копенгагенской интерпретации квантовой механики.
Примерно такое же впечатление осталось у Отто Штерна, который присутствовал на конгрессе как гость:
«Эйнштейн во время завтрака высказывал возражения по поводу новой квантовой теории, изобретая красивые эксперименты, из которых было ясно, что [эта теория] не работает… Паули и Гейзенберг не обращали на это особого внимания и отделывались фразами типа „всё будет в порядке, всё образуется“. Бор же слушал очень внимательно и вечером, за ужином, когда все собирались вместе, подробно разъяснял в чем дело» [Пайс, 1989 стр. 426].
Нильс Бор вспоминал в статье 1949 года, что «самое живое и стимулирующее участие принимал в этих спорах и Эренфест, который много лет был связан с нами обоими тесной дружбой» [Бор, 1971 стр. 409].
Ученики Эренфеста взяли с него обещание, что он будет им писать письма о самом интересном, что происходило на Сольвеевском конгрессе. Благодаря этим своеобразным отчетам по горячим следам мы знаем многие детали «битвы титанов». Вот что писал Пауль Эренфест Сэмюэлю Гаудсмиту и Джорджу Уленбеку 3 ноября 1927 года, через четыре дня после окончания конгресса:
«Сольвеевский конгресс в Брюсселе был славным. Абсолютно всех превзошел Бор (выделено Эренфестом. Е.Б.). Поначалу он совсем ничего не понимал, но потом шаг за шагом всех превзошел. Естественно, снова эта дурацкая боровская заговорщицкая терминология. (Бедный Лоренц в качестве переводчика между не понимавшими друг друга англичанами и французами… Бор, реагирующий с вежливым отчаянием). Каждую ночь около часу Бор приходил ко мне в комнату, чтобы до трех сказать „одно единственное слово“. Мне повезло присутствовать во время разговоров между Бором и Эйнштейном. Всё выглядело как шахматная партия. Эйнштейн выдает каждый раз новый пример. В каком-то смысле вечный двигатель второго рода, чтобы разбить соотношение неопределенностей. Бор постоянно разыскивает в темном облаке философических туманностей нужный инструмент, чтобы разбить пример за примером. Эйнштейн как чертик из табакерки: каждое утро снова резво выпрыгивает. О, это было восхитительно. Но я почти безоговорочно за Бора против Эйнштейна. Он ведет себя против Бора точно так же, как вели себя защитники абсолютной одновременности против него» [Hermann, 1977 стр. 96].
Пауль Эренфест
Пожалуй, никто, кроме Эренфеста, не осмелился бы публично сравнить Эйнштейна с Ленардом и его приспешниками, которые устраивали травлю создателя теории относительности. А Эренфест посмел. В отеле, в присутствии почти всех участников конгресса, он громко обратился к своему берлинскому другу:
«Эйнштейн, мне стыдно за тебя. Ты ведешь себя по отношению к квантовой теории точно так же, как вели себя противники теории относительности в их тщетных попытках опровергнуть твою теорию» [Hermann, 1977 стр. 97].
Сравнение с Ленардом нужно принимать, конечно, с большой осторожностью, потому что горячие споры Эйнштейна и Нильса Бора не омрачили их дружбы. Более того, активного сторонника копенгагенской интерпретации квантовой механики Вольфганга Паули Эйнштейн видел своим научным наследником и продолжателем дела жизни. В 1928 и в 1931 годах он предлагал Нобелевскому комитету Шведской академии наук присудить Нобелевскую премию Вернеру Гейзенбергу и Эрвину Шрёдингеру. В письме, написанном в сентябре 1931 года он так обосновывает свое предложение: «Я убежден, что эта теория содержит часть окончательной истины» [Пайс, 1989 стр. 430].
На этом можно было бы закончить рассказ о пятом Сольвеевском конгрессе, на котором новая квантовая теория и ее копенгагенская интерпретация выдержали жесткую критику Альберта Эйнштейна. Квантовая механика доказала свою непротиворечивость. Научный мир принял ее в качестве надежно обоснованной теории, описывающей явления микромира.
Из великих физиков, пожалуй, единственным, кого не до конца удовлетворяла новая наука, был Эйнштейн. Его представление о науке, изучающей окружающий мир, противилось отказу от детерминизма, ученый с его верой в познаваемость мира не мог смириться с невозможностью точно описать поведение системы в будущем, даже зная ее исходное состояние. Поэтому он снова и снова возвращался к принципу неопределенности Гейзенберга, желая его опровергнуть. Вот почему споры Эйнштейна и Бора о сути копенгагенской интерпретации квантовой механики продолжились в кулуарах шестого Сольвеевского конгресса физиков в 1930 году в Брюсселе. Это лишний раз говорит о важности обсуждаемой тематики для обоих корифеев науки.
В воспоминаниях о Нильсе Боре, которые мы уже цитировали, Гейзенберг рассказывает об одном эпизоде пятого, по его мнению, Сольвеевского конгресса:
«В последний день конгресса Эйнштейн принес к завтраку еще один эксперимент (разбираемый в статье Бора к 70-летию Эйнштейна), при котором цвет кванта света можно определить взвешиванием источника света до и после испускания кванта» [Heisenberg, 1971 стр. 69].
Вернер Гейзенберг
В этом месте Вернера Гейзенберга опять подвела память. Указанный мысленный эксперимент Эйнштейн предложил не на пятом Сольвеевском конгрессе, а на шестом. Тогда Эйнштейну показалось, что он нашел, наконец, решающий аргумент, опровергающий ненавистное ему соотношение неопределенностей. На первый взгляд новые доводы Эйнштейна выглядели убедительно.
Он предложил рассмотреть ящик, наполненный излучением, в стенке которого есть отверстие. Оно может закрываться заслонкой по команде от часов, находящихся в ящике. Взвешиваем ящик, потом в определенное время открываем заслонку, чтобы через отверстие мог вылететь один фотон, и взвешиваем ящик опять. Получается, что практически с произвольной точностью можно одновременно определить как энергию фотона (через эйнштейновскую связь массы и энергии), так и время прохождения его через отверстие, что противоречит принципу неопределенности Гейзенберга, ибо время и энергия являются такими же сопряженными величинами, как положение и скорость, одновременное точное измерение которых в силу соотношения неопределенностей невозможно.
Если в 1927 году Бор относительно легко выходил победителем в подобных теоретических схватках с Эйнштейном, то через три года роли, казалось бы, поменялись. Абрахам Пайс, автор содержательной биографии Эйнштейна, лично его знавший, цитирует воспоминания Леона Розенфельда, тоже присутствовавшего тогда в Брюсселе в качестве гостя конгресса:
«Для Бора это было настоящим ударом… он не мог сразу дать объяснение. Весь вечер он сильно страдал, ходил от одного к другому и старался всех убедить, что это не так, что если Эйнштейн прав, то физике пришел конец; но найти опровержения не мог. Никогда не забуду, как противники покидали университетский клуб: рядом с медленно шедшим высоким величественным Эйнштейном, на губах которого играла несколько ироническая улыбка, семенил страшно взволнованный Бор… На следующее утро пробил час триумфа Бора» [Пайс, 1989 стр. 428].
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор после обсуждения очередного мысленного эксперимента
Опровергнуть мысленный эксперимент Альберта Эйнштейна оказалось не просто. Бору пришлось проанализировать все детали процесса измерения веса ящика и времени открытия заслонки, при этом привлечь выводы эйнштейновской теории тяготения, т.е. в каком-то смысле «перейти на поле противника». Бор учел влияние гравитационного поля на ход часов, поскольку они были жестко прикреплены к ящику и двигались во время измерения. Здесь и появлялась та неопределенность, которую следовало ожидать из соотношений Гейзенберга. И когда вечером Нильс Бор показал Эйнштейну и всем участникам конгресса свои выкладки, доказывающие с помощью формул общей теории относительности, что соотношение неопределенностей остается в силе, то это был настоящий триумф копенгагенской школы.
Схема мысленного эксперимента Эйнштейна, выполненная Бором
После такой жесткой проверки теории Эйнштейн окончательно перестал сомневаться в непротиворечивости квантовой механики и перестал строить примеры, якобы опровергающие принцип неопределенности Гейзенберга. Однако полноту квантовой механики Эйнштейн не смог принять до конца жизни.
Во время одного из разговоров в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса Гейзенберг сказал Эйнштейну: «Если я правильно понял Вашу точку зрения, Вы не хотели бы пожертвовать принципом причинности ради простоты квантовой механики» [Kleinknecht, 2017 стр. 110].
А свою позицию Гейзенберг выразил коротко: «Не думаю, что это в самом деле хорошо – требовать чего-то большего, чем физическое описание связей между экспериментами» [Kleinknecht, 2017 стр. 110].
В письме родителям от 29 октября Вернер подвёл итог конгресса:
«Сегодня конгресс почти подошел к концу, завтра утром я еду в Оснабрюк. Научными результатами я во всех отношениях удовлетворен. Наши с Бором взгляды были в целом хорошо приняты, серьезных возражений не было, даже от Эйнштейна и Шрёдингера…» [Heisenberg-Eltern, 2003 стр. 126].
(продолжение следует)
Примечание
[1] Серия моих статей под названием «Эпизоды революции вундеркиндов» в другой, чем здесь, редакции публикуется в журнале «Наука и жизнь», начиная с № 9/2018.
Литература
Bohr, Niels. 1928a. Das Quantenpostulat und die neuere Entwicklung der Atomistik. Naturwissenschaften, B. 16, №15, S. 245-257. 1928a.
—. 1951. Discusion mit Einstein über Erkenntnistheoretische Probleme in der Atomphysik. [Buchverf.] Paul Arthur (Hrsg.) Schilpp. Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher, S. 115-150. Stuttgart : W.Kohlhammer Verlag, 1951.
—. 1951. Discusion mit Einstein über Erkenntnistheoretische Probleme in der Atomphysik. [Buchverf.] Paul Arthur Schilpp (Hrsg.). Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher, S. 115-150. Stuttgart : W.Kohlhammer Verlag, 1951.
Einstein, Albert. 1916. Zur Quantentheorie der Strahlung. Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft Zurich, Band 16, S. 41-62. 1916.
Einstein-Besso. 1978. Переписка А. Эйнштейна и М. Бессо 1903-1955. В книге: У.И. Франкфукрт. Эйнштейновский сборник 1975.1976. М.: Наука, 1978.
Einstein-Born. 1969. Albert Einstein – Hedwig und Max Born. Briefwechsel 1916-1955. München: Nymphenburger Verlagshandlung, 1969.
Heisenberg, Werner. 1971. Schritte über Grenzen. Gesammelte Reden und Aufsätze. München : R. Piper & Co. Verlag, 1971.
Heisenberg-Eltern. 2003. Werner Heisenberg. Liebe Eltern! Briefe aus kritischer Zeit 1918 bis 1945. Hrsg. von A.M. Hirsch-Heisenberg. München : Langer-Müller Verlag, 2003.
Hermann, Armin. 1977. Die Jahrhundertwissenschaft. Werner Heisenberg und die Physik seiner Zeit. Stuttgart : Deutsche Verlags-Anstalt, 1977.
Kirsten-Treder. 1979. C. Kirsten und H.-J. Treder. Albert Einstein in Berlin. 1913-1933. Berlin : Akademie-Verlag, 1979.
Kleinknecht, Konrad. 2017. Einstein und Heisenberg. Begründer der modernen Physik. Stuttgart : Verlag W. Kohlhammer, 2017.
Lewis, Gilbert N. 1926. The conservation of photons. Nature, 118 (2981). P. 874–875. 1926.
Mehra, Jagdish. 1975. The Solvay Conferences on Physics. Aspects of the Development of Physics Since 1911. Dordrecht and Boston : D. Reidel , 1975.
Mehra-Rechenberg-4. 1982. Mehra, Jagdish; Rechenberg, Helmut. The Historical Development of Quantum Theory. Vol.4. New York, Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 1982.
Mehra-Rechenberg-6. 2000. Mehra, Jagdish; Rechenberg, Helmut. The Historical Development of Quantum Theory. Vol.6, Part 1. New York, Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2000.
Meyenn, Karl von. 2011. Eine Entdeckung von ganz außerordentlicher Tragweite. Band 1. Berlin-Heidelberg : Springer Verlag, 2011.
Pauli-Briefe. 1979. Pauli, Wolfgang — Wissenschaftlicher Briefwechsel, Band I: 1919-1929. Hrsg. v. Hermann Armin u.a. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo : Springer Verlag, 1979.
Rechenberg, Helmut. 2010. Werner Heisenberg – die Sprache der Atome. Gedruckt in zwei Bänder. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2010.
Solvay-Institut. 1928. Institut International de Physique Solvay (Hrsg.) Electrons et Photons. Rapports et Discussions du Cinquieme Conseil de Physique, tenu a Bruxelles du 24 au 29 Octobre 1927. Paris : Gauthier-Villars, 1928.
Бор, Нильс. 1971. Дискуссия с Эйнштейном по проблемам теории познания в атомной физике. Избранные научные труды в двух томах, том II, с. 399-433. М. : Издательство «Наука», 1971.
—. 1928. Квантовый постулат и новое развитие атомистики. Успехи физических наук, т. 8, № 3, с. 306–337. 1928.
Джеммер, Макс. 1985. Эволюция понятий квантовой механики. Пер. с англ. В.Н. Покровского. Под ред. Л.И. Пономарева. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.
Пайс, Абрагам. 1989. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. Перевод с англ. В.И. и О.И. Мацарских. Под редакцией А.А. Логунова. М. : Наука, 1989.
Эйнштейн, Альберт. 1966. Замечание о квантовой теории. Выступление в дискуссии на 5-м Сольвеевском конгрессе. Собрание научных трудов в четырех томах. Том III, с. 528-530. М. : Наука, 1966.
Оригинал: http://7i.7iskusstv.com/y2019/nomer6_7/berkovich/
