Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье

Глава 2

Принцип неопределённости Гейзенберга

Давайте немного отвлечёмся и поговорим о Гейзенберге и о развитии квантовой теории.

Квантовая физика, как вы уже поняли, очень активно развивалась в 1920–1930‑е годы. В становлении науки участвовали в основном четыре страны: Англия, Германия, США и Советский Союз. В СССР квантовую теорию вначале не приняли: её рассматривали как буржуазную философию, не соответствующую марксизму-ленинизму. Однако в 1930‑е годы квантовая физика стала поддерживаться правительством. В СССР даже проводились международные конференции, а советские учёные часто ездили на стажировку в Германию и Англию.

Но с началом войны всё это сотрудничество прекратилось, а к концу для квантовой физики в Советском Союзе опять началось непростое время.

Был даже такой лозунг: «Разоблачение реакционного эйнштейнианства в области физической науки – одна из наиболее актуальных задач советских физиков и философов!»[6] Квантовую физику вполне могла постигнуть та же участь, что и генетику и молекулярную биологию. В январе 1949 года было назначено всесоюзное совещание. На нём собирались полностью разгромить квантовую физику и даже убрать её из учебников. Однако президенту АН СССР С. И. Вавилову и руководителю советского атомного проекта И. В. Курчатову в конце концов удалось похоронить эту затею.

В августе 1949 года состоялось успешное испытание первой советской ядерной бомбы; создание атомного оружия представлялось для советского руководства важнейшей задачей. Квантовая физика, лежащая в основе теории радиоактивного распада (и, соответственно, ядерных бомб), опять вошла в почёт, и с тех пор советские учёные, занимавшиеся ею, всячески поддерживались государством.

Изначально немецкие учёные занимали лидирующие позиции в развитии квантовой теории. Но в 1933 году к власти пришёл Гитлер. Он не признавал квантовую физику, впрочем, как и теорию относительности, и называл её «жидовской антинаукой». Многие физики стали уезжать из страны. Однажды Шрёдингер увидел на улице, как фашисты избивают евреев, и попытался за них заступиться. Тогда стали бить и его, и избиение остановилось, только когда один из фашистов узнал учёного и сказал остальным, что это лауреат Нобелевской премии по физике. Вскоре Шрёдингер уехал из Австрии.

Макс Планк лично просил Гитлера остановить гонения на физиков, но Гитлер ответил, что не будет поддерживать евреев. Сын Планка был среди заговорщиков, пытавшихся убить Гитлера, но его схватили, подвергли пыткам и казнили.

Со временем Гитлер всё же решил воспользоваться научным превосходством Германии и вложил много сил в создание атомной бомбы. Эйнштейн, узнав об этом, пришёл в ужас, ведь наличие ядерной бомбы в руках фашистов принципиально повлияло бы на исход войны. Он написал письмо Франклину Рузвельту с призывом начать разработку атомного оружия в США. И Рузвельт согласился на финансирование Манхэттенского проекта, что привело к созданию первой атомной бомбы.

В те годы Вернер Гейзенберг был, по мнению многих учёных, лучшим физиком на земле. В 1932 году он получил Нобелевскую премию с формулировкой «за создание квантовой механики». Тем не менее в 1935 году ему было отказано в кафедре Мюнхенского университета.

В Германии про Гейзенберга писали: «Ибо не сам по себе расовый еврей нам опасен, сколько дух, который он распространяет. И если носителем этого духа является не еврей, а немец, то с ним нужно бороться вдвое решительнее, чем с расовым евреем, который не может скрыть происхождения своего духа. Народная мудрость придумала даже специальное обозначение „белый еврей“ для подобных бациллоносителей»[7].

Гонения на Гейзенберга удалось приостановить его матери, которая была подругой матери Гиммлера и попросила её о содействии. В результате расследования Гиммлер пришёл к выводу, что Гейзенберг – настоящий немецкий патриот. Гейзенберг не стал уезжать, он пользовался полным доверием вождей рейха, преподавал и по возможности поддерживал немецких физиков.

В самой науке в те годы происходили революционные изменения. В 1939 году немецкие физики доказали и теоретически обосновали расщепление ядра урана. Гитлер понял важность создания нового мощнейшего чудо-оружия и назначил Гейзенберга руководителем немецкой ядерной программы.

В 1941 году немецкие физики сильно опережали своих коллег из других стран. Почему же нацистская Германия не создала атомную бомбу?

Точного ответа нет. В 1941 году Гейзенберг встретился с Бором (они были близкими друзьями). Нильс Бор был ярым противником нацизма и помогал американцам в создании бомбы. Гейзенберг тоже не поддерживал нацизм, однако был патриотом Германии и желал своей стране победы. Специально ли Гейзенберг саботировал создание немецкой бомбы, как впоследствии считалось? Или просто американцам это удалось сделать быстрее?

Известно, что Бор после встречи с Гейзенбергом посчитал, что тот предложил ему сотрудничать с фашистами. Бор сказал: «Гейзенберг должен разобраться со своей совестью сам»[8]. Отношения между учёными стали напряжёнными. ЦРУ даже разработало план убийства Гейзенберга в 1944 году, который, однако, провалился.

После войны Гейзенберг призывал прекратить ядерные испытания. Он много занимался научной работой и написал несколько книг о связи квантовой физики и философии.

Теперь перейдём с вами к изучению принципа неопределённости Гейзенберга.

Вернеру Гейзенбергу было 25 лет, когда он сделал свои основные открытия. (Кстати, столько же лет было Эйнштейну, когда он опубликовал статьи, положившие начало теории относительности.) Однажды Гейзенберг гулял поздно вечером по парку и на аллее под фонарём увидел человека. Вдруг этот человек пропал и вскоре появился под следующим фонарём. И всё повторилось. Гейзенберг подумал, что в действительности прохожий не появлялся и не пропадал, а каким‑то образом переходил от одного светового пятна к другому. И тут Гейзенбергу пришла в голову мысль: а ведь элементарные частицы ведут себя точно так же. Они проявляются для нас в моменты взаимодействия, между которыми не имеют точного положения, и неизвестно, что с ними происходит.

Тогда это было революционной идеей! Гейзенберг в приподнятом настроении вернулся домой и стал делать вычисления, которые подтвердили его правоту. Эта идея превратила его вскоре в одного из лучших физиков мира.

Самое известное открытие Гейзенберга – это принцип неопределённости.

Принцип неопределённости звучит так: невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость частицы.