Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности - Манжит Кумар

В теории гравитации Ньютона сила, с которой притягиваются друг к другу два тела, например Солнце и Земля, пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами масс. Поскольку тела не соприкасаются, гравитация по Ньютону — мистическая сила, “действующая на расстоянии”. В общей теории относительности гравитация обусловлена деформацией пространства, вызванной присутствием большой массы. Земля двигается вокруг Солнца не потому, что ее толкает некая невидимая сила, а благодаря деформации пространства из-за огромной массы Солнца. То есть материя деформирует пространство, а деформированное пространство направляет движение материи.

В ноябре 1915 года Эйнштейн проверил общую теорию относительности, объяснив с ее помощью особенности орбитального движения Меркурия, которые не могла объяснить теория гравитации Ньютона. При каждом обороте вокруг Солнца Меркурий несколько меняет орбиту. Очень точно измеряя положение Меркурия, астрономы выяснили, что орбита этой планеты слегка вращается. Эйнштейн использовал общую теорию относительности для вычисления сдвига орбиты. Когда стало ясно, что цифры совпадают с точностью до ошибки эксперимента, он почувствовал сильное сердцебиение, ему показалось, что внутри что-то оборвалось. “Вне всякого сомнения, теория прекрасна”, — записал он29. Самые смелые мечты Эйнштейна осуществились, но титанический труд истощил его силы. Придя в себя, он занялся квантом.

В мае 1914 года еще работавший над общей теорией относительности Эйнштейн одним из первых осознал, что опыт Франка — Герца подтверждает существование уровней энергии в атоме и является “убедительным подтверждением квантовой гипотезы”30. К лету 1916 года у Эйнштейна появилась собственная “блистательная идея” о том, как атом испускает и поглощает свет31.

Это давало возможность “удивительно просто вывести — именно вывести — формулу Планка”32. Вскоре Эйнштейн пришел к выводу, что “существование квантов света можно считать установленным”33. Однако за все приходится платить. Ему пришлось пожертвовать принципом причинности, являющимся обязательным в классической физике, и ввести в мир атомов вероятность.

До этого Эйнштейн еще мог думать об альтернативах, но на этот раз ему удалось вывести формулу Планка с помощью квантового атома Бора. Начав с упрощенной модели атома, у которого есть только два энергетических уровня, он указал три возможности, которыми может воспользоваться электрон, перепрыгивая с одного уровня на другой. Прыжок электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий при одновременном испускании кванта света Эйнштейн назвал “спонтанной эмиссией”. Она может происходить, только если атом находится в возбужденном состоянии. Квантовый скачок второго типа имеет место тогда, когда атом приходит в возбужденное состояние, поглощая квант света, и электрон перепрыгивает с более низкого уровня на более высокий. Такие скачки Бор использовал для объяснения природы атомных спектров поглощения и испускания. Эйнштейн показал, что возможен еще один перескок: “вынужденная эмиссия”. Под воздействием светового кванта атом, уже находящийся в возбужденном состоянии, вместо того чтобы поглотить падающий квант, “вынужден” перейти в состояние с более низкой энергией. Другими словами, электрон “вынужден” перескочить на более низкий уровень, испуская световой квант. Четырьмя десятилетиями позже вынужденное излучение послужило основой для создания лазера. (Это слово составлено из первых букв английского выражения light amplification by stimulated emission of radiation, что означает “усиление света при вынужденном излучении”.)

Эйнштейн, кроме того, понял, что квант света обладает импульсом. В отличие от энергии импульс — это вектор, то есть, кроме абсолютной величины, у него есть и направление. Однако из уравнений Эйнштейна явно следовало, что точное время спонтанного перехода электрона с одного энергетического уровня на другой, как и направление движения кванта света, испущенного атомом, совершенно случайны. Самопроизвольная (спонтанная) эмиссия чем-то напоминает поведение радиоактивного элемента. Известно, что через определенное время, за время полураспада, произойдет распад половины атомов. Но невозможно узнать, когда именно распадется определенный атом. Точно так же можно вычислить вероятность того, что спонтанный переход произойдет, но все детали перехода отдаются на волю случая. Никакой связи между причиной и следствием нет. Эйнштейн считал, что концепция вероятности перехода, предоставляющая “случаю” возможность распоряжаться временем перехода и направлением испускания кванта света, — “слабое место” его теории. Он мог какое-то время с этим мириться, надеясь, что с развитием квантовой физики подобное недоразумение будет устранено34.

Сделанное открытие беспокоило Эйнштейна. Получается, что в самом сердце квантового атома хозяйничают случай и вероятность. В реальности квантов он больше не сомневался, но ему казалось, что под угрозой принцип причинности35. “Положение дел с причинностью и мне доставляет много беспокойства, — написал он Планку тремя годами позднее, в январе 1920 года36. — Удастся ли когда-нибудь понять квантовое поглощение и излучение с учетом требования выполнения принципа причинности, или статистический подход восторжествует? Должен заметить, что в этом вопросе у меня нет полной уверенности. Мне будет очень неуютно, если надо будет отказаться от детального выполнения принципа причинности”.

Вопрос, волновавший Эйнштейна, можно пояснить на следующем примере. Пусть человек держит яблоко на некотором расстоянии от земли. Если ему не давать упасть, можно сказать, что оно находится в нестабильном состоянии сравнительно с состоянием, при котором оно лежит на земле. Если яблоко отпустить, немедленно начинают действовать гравитационные силы, являющиеся причиной его падения. Теперь представим себе, что яблоко ведет себя как электрон в возбужденном атоме: после того, как мы разожмем руку, оно упадет на землю не сразу, а некоторое время повисит в воздухе и упадет в непредсказуемый момент времени, оценить который можно только в терминах теории вероятности. Может оказаться, что для яблока очень велика вероятность упасть на землю почти сразу. Но имеется отличная от нуля вероятность, что оно часами будет висеть над землей. Электрон в возбужденном атоме обязательно перейдет на более низкий уровень, после чего атом окажется в основном состоянии, но точный момент перехода может определить только случай37. В 1924 году Эйнштейн все еще мучительно пытался осознать последствия своего открытия: “Для меня невыносима мысль о том, что под воздействием излучения электрон сам, по своей свободной воле, может выбрать не только время прыжка, но и его направление. Если это так, уж лучше я буду сапожником или крупье в казино, но не физиком”38.

Годы напряженной интеллектуальной работы и холостяцкий образ жизни сделали свое дело. Эйнштейну было тридцать восемь лет, когда в феврале 1917 года он почувствовал сильные боли в желудке. У него обнаружили болезнь печени. Ученому становилось все хуже. За два месяца он потерял двадцать пять килограммов. Но это было только начало. У Эйнштейна обнаружили целый букет серьезных болезней: камни в желчном пузыре, язву двенадцатиперстной кишки, гепатит. По предписанию врачей он должен был много отдыхать и хорошо питаться. Это было легче сказать, чем сделать. Годы тягот и невзгод войны до неузнаваемости изменили жизнь. В Берлине даже картошка стала редкостью. Большинство немцев голодало. Мало кто умер от голода, но недоедание угрожало жизни многих. По некоторым оценкам, в 1915 году голодали восемьдесят восемь тысяч человек, в следующем году — сто двадцать тысяч. Восстания вспыхнули в более чем тридцати немецких городах. Это и неудивительно: люди были вынуждены есть хлеб не из зерна, а из измельченной соломы.

Существовал все удлинявшийся список эрзац-провианта. Шелуха семечек, смешанная со шкурой животных, заменяла мясо. Из сушеной репы делали “кофе”. Пепел заменял перец, а смесь соды и крахмала мазали на хлеб, представляя себе, что это масло. Непрекращающийся голод привел к тому, что в Берлине кошки, крысы и лошади стали считаться лакомством. Если лошадь падала замертво на улице, ее тушу мгновенно разрубали на куски и растаскивали. По словам одного из очевидцев подобного происшествия, люди “дрались за лучшие куски, и их лица и одежда были вымазаны кровью”39.

Настоящая еда была редкостью. Она была доступна только тем, кто мог за нее платить. Эйнштейн оказался счастливее многих: жившие на юге родственники и друзья из Швейцарии передавали ему продуктовые посылки. Посреди этого моря страданий он чувствовал себя, “как капля масла в воде, отделенным от других по складу ума и взглядам на жизнь”40. Но сам вести хозяйство ученый не мог, и ему пришлось, хоть и с неохотой, переехать в пустовавшую квартиру рядом с квартирой Эльзы. Хотя Милева все еще отказывалась дать Эйнштейну развод, Эльза наконец добилась своего. Они стали близки настолько, насколько это позволяли приличия. Здоровье медленно возвращалось к Альберту. Уход за больным предоставил Эльзе прекрасную возможность заставить его сделать все, чтобы получить развод. Эйнштейн не выказывал желания торопиться со второй женитьбой. И первую он воспринимал “как десять лет заключения”, но под конец сдался41. Милева согласилась, когда Эйнштейн предложил увеличить ей содержание, пообещал, что ей будут выплачивать пенсию как его вдове, и посулил отдать деньги, когда получит Нобелевскую премию. К 1918 году он уже шесть раз становился номинантом и был абсолютно уверен, что премия почти у него в кармане.