На атомном уровне снаряды, которые раньше казались нам крохотными, становятся такими же огромными, как статуя, которую мы собрались изучать. Если для того чтобы, например, обнаружить электрон, мы начнем бомбардировку атома фотонами с низким энергетическим зарядом и большой длиной волны, получится, что мы бросаемся надувными шарами того же размера, что статуя. Чтобы получить точную информацию, придется увеличить энергию фотона, а это значит, что наши пули станут тверже. И это будет означать не только возможность разглядеть детали статуи, но и риск ее разрушить. Траектория отскока в этом случае будет говорить не столько о рельефе объекта, сколько о процессе его фрагментации. Как видите, наша попытка изучить феномен полностью меняет его суть.
Не такие уж второстепенные выводы Эйнштейна
«Второстепенные» изыскания Эйнштейна можно назвать таковыми только в сопоставлении с громадой теории относительности, но в действительности они сделали бы честь любому физику. В этих исследованиях главным героем снова выступает свет.
– При освещении металлической пластины ультрафиолетовым светом наблюдается высвобождение электронов. В 1902 году Филипп Ленард (1862-1947) обнаружил, что скорость испускаемых частиц растет с увеличением частоты света, но не его интенсивности. Эйнштейн объяснил этот феномен, названный фотоэлектрическим эффектом: энергетический заряд, переносимый каждым из фотонов, зависит от частоты света, и более интенсивное излучение приводит к увеличению числа испущенных поверхностью электронов, но не их энергии.
– Электроны взаимодействуют с фотонами, спонтанно повышая и понижая энергетическую шкалу. В 1917 году Эйнштейн задумался о возможности форсировать излучение. Необходимых условий было два: наличие атома с возбужденным электроном (характеризуется избыточной энергией) и фотона, энергетический заряд которого совпадал бы с уровнем заряда орбиты электрона. При выстреле фотоном в атом последний испускает два фотона с равной энергией и в одном направлении. Так было заложено понятие вынужденного излучения (или, по- английски, SER – stimulated emission of radiation), которое используется в работе лазеров (от англ. LASER – light amplification by stimulated emission of radiation, или «усиление света посредством вынужденного излучения»).
– В 1924 году в руки Эйнштейну попала статья Шатьендраната Бозе (1894-1974), физика из Калькутты, в которой говорилось о новом подходе к статистическому описанию света (на иллюстрации – фото индийского ученого, сделанное в 1925 году). Бозе делал акцент на том, что фотоны, в отличие от электронов, могут терять свою идентичность. Эйнштейн предположил, что газ может вести себя точно так же. При понижении температуры до абсолютного нуля атомы лишаются единственной своей отличительной черты – энергии – и переходят в новое состояние материи – состояние конденсата Бозе – Эйнштейна, в котором атомы замедляются, словно объединяясь в один суператом, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. В 1995 году конденсат Бозе – Эйнштейна был впервые получен в лаборатории.
Ограниченная четкость изображения – вещь неизбежная, поскольку мы используем волны и частицы для изучения собственно волн и частиц, и одни влияют на другие. Еще хуже то, что не всегда ясно, где пролегает граница между одним явлением и другим, поскольку частица может вести себя как волна и наоборот. Какой бы ни была природа квантовых сущностей, невозможно раз и навсегда определить их как волну или как частицу, потому что в зависимости от обстоятельств они проявляются как одним образом, так и другим.
Согласно законам классической физики, мы можем начертить траекторию электрона, зная его положение в пространстве в определенный момент времени, а также определить его скорость (вектор, указывающий направление движения). Гейзенберг настаивал на том, что в отношении атомов сказать то же самое нельзя:
«Чтобы увидеть орбиту электрона в атоме, возможно, самое очевидное – использовать микроскоп с высочайшим разрешением. Но поскольку образец под линзой микроскопа должен был бы освещаться лучом с крайне малой длиной волны, первый же квант света, достигший электрона и проникший в глаз наблюдателя, тут же выбил бы электрон с его орбиты […]. Поэтому экспериментально можно наблюдать лишь одну точку траектории за раз».
А если опыт не позволяет вычислить траекторию, ее нельзя внести в теорию. Непрерывность движения, о котором говорит нам здравый смысл, это всего лишь мираж, наблюдение с огромного расстояния за тем, что по самой своей природе не может быть точным. При приближении эти линии размываются и становятся неразличимыми.
Заслуга Гейзенберга состоит не в формулировке принципа неопределенности, а в его математическом обосновании. Он показал скрытую ранее связь между главными видимыми величинами: положением и моментом времени, временем и энергией. Чем более точно мы определяем одну из них, тем меньше представления имеем о второй. Мы можем узнать точное положение электрона, но при этом ничего – о его скорости. Модель атома таяла на глазах, и в этом тумане нашло себе место сердце новой науки.
Многие физики, поднявшие флаг квантовой революции, унаследовали от Эйнштейна стиль мышления, но их открытия показали, что они идут не в ногу со своим учителем. Траектория, главный герой новой теории гравитации, с учетом геодезических линий оказалась вне закона. Этот факт превращал принцип неопределенности в злейшего врага общей теории относительности.
Последователи Гейзенберга, к примеру Борн, подвергли принцип неопределенности суровой статистической проверке. Верно, что до измерения невозможно точно определить, где находится электрон или когда возбужденный атом испустит фотон, но ответы на эти вопросы далеко не произвольны. Законы квантовой механики определяют вероятность того или иного исхода и предсказывают ее изменение с течением времени.
Эйнштейн в частных беседах и публично говорил о своем неприятии новой доктрины. Он вступил с Бором в один из самых ожесточенных споров во всей истории физики. Хотя ученые симпатизировали друг другу, в вопросе интерпретации квантовой механики занимали противоположные точки зрения. Когда у Эйнштейна не оставалось аргументов, он прибегал к афоризму: «Бог не играет в кости», а Бор в ответ терял всю свою любезность: «Не говорите Богу, что ему делать!»
Главный вопрос заключался в том, чтобы решить, до какой степени статистическая картина квантового мира определялась дефицитом информации. С детерминистской точки зрения Ньютона, если бы нам были известны положение и скорость всех частиц Вселенной, то она стала бы для нас чем-то вроде часового механизма, работу которого можно представить себе с абсолютной точностью. Но на практике обработать такое количество информации совершенно невозможно. Нечто похожее происходит при изучении систем высшей сложности, например климата, и в этом случае мы также прибегаем к статистическому описанию. Неопределенность здесь не то чтобы неотделима от сути явлений, просто мы еще не способны работать с подобной информацией.
Эйнштейну в квантовом описании не хватало завершенности. Однако, согласно критерию Бора, больше не существовало такого уровня реальности, на котором можно было бы вернуться к детерминизму. Только акт измерения и выбор наблюдаемой величины могут устранить неопределенность и уточнить одну из характеристик: либо положение, либо момент времени; либо время, либо энергию. В большой мере растерянность, испытываемая учеными перед квантовым миром, возникает из-за попыток заполнить пустоты на атомном уровне в стремлении следовать логике макромира. После Бора, Гейзенберга и Борна картина мира, возможно, стала несколько обескураживающей, однако выиграла в последовательности.
Изгнание
Квантовые парадоксы брали физику на абордаж, в этих условиях стало неизбежным, что Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию относительности, а за объяснение фотоэффекта. Ученого номинировали на премию девять раз, и восемь раз его кандидатура была отвергнута. Вначале среди членов Нобелевского комитета было очень мало людей, способных оценить его открытия. Сыграла роль и личная неприязнь одного из советников комитета и лауреата Нобелевской премии по физике 1905 года Филиппа Ленарда, который считал теорию относительности «еврейской махинацией», хотя в своих докладах всячески камуфлировал националистические предрассудки. Наконец, большинство физиков, бывших в то время консультантами или членами шведской Королевской научной академии, были экспериментальными физиками, недолюбливавшими «спекулятивную софистику». Впрочем, Эйнштейн был не единственным физиком-теоретиком, кого академия держала в черном теле. В одной компании с ним оказались Планк и Борн.
