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

Пока он выздоравливал, статья Бора вышла сразу на трех языках: по-английски, по-немецки и по-французски. Английская версия, опубликованная 14 апреля 1928 года, называлась “Квантовый постулат и новое развитие атомистики”. В сноске к статье сообщалось: “Статья совпадает с содержанием доклада о современном состоянии теории квантов, сделанном 16 сентября 1927 года во время празднования юбилея Вольты в Комо”73. По правде говоря, по сравнению с Комо и Брюсселем Бор обновил и существенно улучшил изложение своих идей, связанных с принципом дополнительности и квантовой механикой.

Бор послал экземпляр статьи Шредингеру. Тот ответил: “... получается, что если вы хотите описать систему, то есть материальную точку, задав ее [импульс] p и [координату] q, вы можете это сделать только с определенной степенью точности”74. Это означает, возражал Шредингер, что необходима новая концепция, в рамках которой такое ограничение уже не требуется. В заключение он написал: “Однако, без сомнения, будет очень трудно построить такую концептуальную схему, поскольку — Вы это подчеркиваете — ее создание должно затронуть наши самые глубинные представления о мире: о пространстве, времени и причинности”.

Бор поблагодарил Шредингера “за отсутствие полного неприятия” его теории, но указал, что не видит необходимости в “новой концепции” квантовой теории, поскольку старые эмпирические понятия представляются неразрывно связанными с “основами человеческих способностей к визуализации”75. Бор еще раз сформулировал свою позицию. Дело не в более или менее произвольном ограничении применимости классических представлений, а в неустранимой, связанной с дополнительностью, особенности, проявляющейся при анализе концепции измерения. В конце он написал, что был бы рад, если бы Шредингер обсудил содержание его письма с Планком и Эйнштейном. Когда Шредингер рассказал Эйнштейну о своей переписке с Бором, тот ответил: “Убаюкивающая философия (или религия?) Гейзенберга - Бора выстроена так тонко, что для истинно верующего она служит мягкой подушкой, подняться с которой очень нелегко. Пусть там и лежат”76.

Через четыре месяца после обморока Эйнштейн был еще слаб, но к постели не прикован. Чтобы набраться сил, он снял дом в небольшом сонном городке Шарбойц на Балтийском побережье. Здесь он жил, читая Спинозу и наслаждаясь тем, что не принимал участия в “идиотическом существовании, которое человек вынужден вести в больших городах”77. На восстановление потребовался почти год, и только после этого он смог вернуться в свой кабинет. Эйнштейн работал там все утро, потом уходил домой на обед и отдыхал до трех часов. “Иначе он работал бы весь день, — вспоминала Эллен Дюкас, — а иногда и всю ночь”78.

В 1929 году Паули приехал к Эйнштейну на пасхальные каникулы. Он нашел, что “в своем отношении к современной квантовой физике Эйнштейн остается таким же реакционером”, то есть “продолжает верить в реальность, где естественные события происходят в соответствии с законами природы, не зависящими от наблюдателя”79. Вскоре после приезда Паули Эйнштейн изложил свою позицию предельно четко. В речи по поводу вручения ему медали им. Макса Планка (полученной из рук самого Планка) он сказал: “Я до глубины души восхищен достижениями молодого поколения физиков, известными как квантовая механика, и верю в глубинную истинность этой теории, но я верю, что можно будет снять ограничения, налагаемые статистическими законами”80. К тому времени Эйнштейн уже отправился в одиночное плавание в поисках общей теории поля, которая, как он верил, должна спасти причинность и независимую от наблюдателя реальность. А в данный момент он продолжал оспаривать то, что становилось ортодоксальной квантовой доктриной — копенгагенскую интерпретацию. В 1930 году на VI Сольвеевском конгрессе, когда Бор и Эйнштейн снова встретились, Эйнштейн преподнес своему оппоненту ящик со светом.

Глава 12.

Эйнштейн забывает теорию относительности

Эйнштейн улыбался. Бор был в замешательстве. За три года он многократно проверил мысленные эксперименты, предложенные Эйнштейном в октябре 1927 года на Сольвеевском конгрессе. Все они задумывались, чтобы показать: квантовая механика — не самосогласованная наука. Всякий раз Бор находил изъян в рассуждениях Эйнштейна. Не довольствуясь лавровым венком победителя, он, пытаясь обнаружить слабые места своей интерпретации, сам ставил мысленные эксперименты, где использовал разные щели, затворы, часы и многое другое — и не находил несуразностей. Но ни разу воображение не подсказало Бору что-либо столь простое и остроумное, как тот мысленный эксперимент, который только что описал Эйнштейн.

Темой шестидневного VI Сольвеевского конгресса стали магнитные свойства материалов. Формат остался прежним: несколько приглашенных докладов на связанные с магнетизмом темы, после каждого доклада — дискуссия. В этот раз Бор, как и Эйнштейн, был одним из девяти членов оргкомитета с решающим правом голоса. Поэтому они оба автоматически получили приглашение на конференцию. После смерти Лоренца француз Поль Ланжевен согласился стать председателем оргкомитета и председателем на конгрессе. Среди тридцати четырех его участников были Дирак, Гейзенберг, Крамерс, Паули и Зоммерфельд.

Собрание напоминало “встречу великих” на Сольвеевском конгрессе 1927 года: двенадцать его участников были лауреатами Нобелевской премии — либо вскоре должны были ими стать. На этом фоне начался второй раунд схватки Эйнштейна с Бором за смысл квантовой механики и природу реальности. Эйнштейн приехал в Брюссель вооруженный результатами нового мысленного эксперимента, который должен был нанести смертельный удар принципу неопределенности и копенгагенской интерпретации. После одного из пленарных заседаний ничего не подозревающий Бор угодил в засаду.

Представьте себе ящик, наполненный светом, попросил Эйнштейн Бора. В одной из стенок имеется отверстие с заслонкой. Она открывается и закрывается с помощью механизма, связанного с часами внутри ящика. Эти часы синхронизированы с другими часами в лаборатории. Взвесим ящик. Пусть в определенный момент времени заслонка с помощью часов на мгновение открывается и, пока она открыта, из ящика вылетает один фотон. Мы точно знаем время, когда вылетел фотон, объяснял Эйнштейн. Бор беззаботно слушал. Все, что говорил Эйнштейн, казалось очевидным и неоспоримым. Принцип неопределенности относится только к парам дополнительных переменных: координате и импульсу или энергии и времени. Он не накладывает никаких ограничений на точность, с которой может быть измерена отдельно каждая из этих величин. А теперь, произнес Эйнштейн, взвесим ящик еще раз. В ту же секунду Бор понял: у него и копенгагенской интерпретации серьезные неприятности.

Чтобы узнать, сколько света вышло из ящика вместе с одним фотоном, Эйнштейн воспользовался замечательным открытием, сделанным им еще тогда, когда он служил в патентном бюро в Берне: энергия есть масса, а масса есть энергия. Этот удивительный вывод, следовавший из его работы по теории относительности, Эйнштейн записал в виде очень простого уравнения E = mc2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света.

Взвешивая ящик со светом до и после вылета фотона, легко вычислить, насколько изменилась его масса. Хотя с помощью приборов, имевшихся у экспериментаторов в 1930 году, измерить такое необыкновенно малое изменение массы было невозможно, для мысленного эксперимента это была детская забава. Используя соотношение E = mc2, чтобы перевести массу в эквивалентное количество энергии, можно точно вычислить энергию вылетевшего фотона. Время вылета фотона тоже известно благодаря лабораторным часам, синхронизированным с часами в ящике, управляющими задвижкой. Казалось, Эйнштейну удалось придумать эксперимент, в котором энергию и время можно измерить одновременно с точностью, запрещенной принципом неопределенности Гейзенберга.

“Для Бора это был настоящий шок”, — вспоминал Леон Розенфельд, тогда только начинавший сотрудничать с великим датчанином1. Ему не удавалось придумать ответ, и он сильно нервничал. Паули и Гейзенберг оставались спокойны. “Да ладно, все будет в порядке”, — повторяли они2. “Весь вечер он [Бор] был абсолютно несчастен, подходил то к одному, то к другому, стараясь уверить слушателя, что такого быть не может, что если Эйнштейн прав, значит, физике пришел конец, — вспоминал Розенфельд, — но придумать опровержение не мог”3.

В 1930 году Розенфельда не пригласили на Сольвеевский конгресс. Он приехал в Брюссель встретиться с Бором и навсегда запомнил двух соперников на поле квантовой битвы, возвращающихся в “Метрополь”: “Эйнштейн, высокий и величественный, идет спокойно; на губах что-то вроде иронической улыбки. И рядом суетящийся, семенящий Бор, очень возбужденный, все время повторяющий, что если устройство Эйнштейна работает, это означает конец физики”4. Для Эйнштейна это не было ни концом, ни началом. Его эксперимент был призван продемонстрировать, что квантовая механика не самосогласованна и поэтому не может, как это утверждал Бор, быть замкнутой и полной теорией. Эйнштейн просто пытался спасти физику, цель которой — постижение реальности, не зависящей от наблюдателя.