После знаменитой Копенгагенской интерпретации квантовой механики в 1927 году, Альберт Эйнштейн встал в оппозиция складывающемуся новому взгляду на природу. Уже на самой конференции Эйнштейн вместе со своими товарищами в мысленном эксперименте (Эйнштейна-Подольского-Розена парадокс) попытались показать неполноту квантовой физики. Убежденность Эйнштейна носила и явный эмоциональный характер, говоря: “Думать так логически допустимо, но это настолько противоречит моему научному инстинкту, что я не могу отказаться от поисков более полной концепции”. В этом споре главным оппонентом Эйнштейна стал Нильс Бор, который вместе с Вернером Гейзенбергом и разработал Копенгагенскую интерпретацию, выразившуюся в двух принципах: принципе дополнительности Бора и принципе неопределенности Гейзенберга. В одном из писем Бору, Эйнштейн писал: “Я убеждён, что Бог не бросает кости”, на что Бор парировал: “Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать”. В беседе с Абрахамом Пайсом, другим сторонником квантовой механики Эйнштейн позволил себе и такую реплику: “Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на неё смотрите?”.
Упорные арьергардные бои, которые Эйнштейн вел против наступающей со всех сторон квантовой механики, достигли наибольшего напряжения в Брюсселе, во время двух знаменитых Сольвеевских конгрессов. В обоих случаях Эйнштейн выступал как провокатор, пытаясь нащупать брешь в торжествующей победу новой премудрости.
На первом из них, состоявшемся в октябре 1927 года, присутствовали три великих мастера, стоявших у истоков новой эры в физике, но теперь скептически настроенных по отношению к ее детищу – таинственному миру квантовой механики. Там были семидесятичетырехлетний Хендрик Лоренц, шестидесятидевятилетний Макс Планк и сорокавосьмилетний Альберт Эйнштейн. Хендрику Лоренцу, получившему Нобелевскую премию за исследования электромагнитного излучения, оставалось жить всего несколько месяцев. Макс Планк был обладателем Нобелевской премии за теорию кванта, а Эйнштейн – за открытие закона фотоэлектрического эффекта.
Среди остальных двадцати шести участников конгресса больше половины тоже в свое время стали лауреатами Нобелевской премии. Здесь же были и все чудо-мальчики новой квантовой механики, надевшиеся либо переубедить, либо победить Эйнштейна. Это были двадцатипятилетний Вернер Гейзенберг, двадцатипятилетний Поль Дирак, двадцатисемилетний Вольфганг Паули, тридцатипятилетний Луи де Бройль и представитель Америки тридцатипятилетний Артур Комптон. Был и представитель среднего поколения сорокалетний Эрвин Шредингер, зажатый между “сердитыми молодыми людьми” и стариками-скептиками. И конечно, здесь был сорокадвухлетний Нильс Бор, в прошлом “сердитый молодой человек”, который своей моделью атома способствовавший появлению квантовой механики, а теперь стойкий защитник вступающих в противоречие с интуицией следствий из этой теории.
Сольвеевский конгресс 1927 года
Сольвеевский конгресс 1927 года
Лоренц попросил Эйнштейна сделать на конгрессе доклад о состоянии дел в квантовой механике. Эйнштейн сначала дал согласие, но потом отказался. “После длительных колебаний я пришел к выводу, что недостаточно подхожу для того, чтобы представить доклад, отражающий текущее положение дел, – ответил он. – Отчасти это связано с тем, что я не одобряю чисто статистический способ рассуждений, на котором основываются новые теории”. А затем он с горечью добавил: “Прошу вас, не сердитесь на меня”.
Вместо него доклад, открывший конгресс, сделал Бор. Он не скупился на похвалу, описывая достижения квантовой механики. В субатомном мире нет определенности и строго выполняющегося принципа причинности, говорил он. Нет детерминистских законов, только вероятности и шанс. Не имеет смысла говорить о “реальности”, не зависящей от процесса наблюдения и измерения. В зависимости от характера ставящегося эксперимента свет может быть либо волнами, либо частицами.
Во время официальных заседаний Эйнштейн говорил очень мало. “Я должен извиниться, что не разобрался в квантовой механике достаточно глубоко”, – заметил он в самом начале. Но за обедом и во время долгих вечерних разговоров, возобновлявшихся за завтраком, он втягивал Бора и его сторонников в оживленные споры, затравкой для которых служила его любимая шутка о Боге, который не играет в кости. “Нельзя строить теории на основании большого числа всяческих “если”, – вспоминает Паули доводы Эйнштейна. – Это глубоко неправильно, даже если основывается на опыте и логически непротиворечиво”.
“Вскоре дискуссия свелась к поединку между Эйнштейном и Бором, споривших о том, можно ли атомную теорию в ее нынешнем виде считать окончательной”, – вспоминал Гейзенберг. Как сказал впоследствии Эренфест своим студентам, “о, это было восхитительно”.
Смеющийся Нильс Бор и рассуждающий Альберт Эйнштейн
Смеющийся Нильс Бор и рассуждающий Альберт Эйнштейн
И во время заседаний, и в пылу неформальных дискуссий Эйнштейн пытался обработать своих противников, ставя искусные мысленные эксперименты, которые должны были доказать, что квантовая механика не дает полного описания реальности. С помощью хитроумного воображаемого устройства он пытался показать, что все характеристики движущейся частицы могут, по крайней мере в принципе, быть точно измерены.
Например, один из мысленных экспериментов Эйнштейна состоял в следующем. Пучок электронов пускают на экран со щелью. Пройдя через щель, электроны ударяются о фотографическую пластину, и их координаты фиксируются. Было еще много дополнительных элементов воображаемого прибора, таких, например, как задвижка, которая позволяла мгновенно открывать и закрывать щель. Все они были изобретательно использованы Эйнштейном, который хотел продемонстрировать, что теоретически можно одновременно знать точно координату и импульс электрона.
“Эйнштейн являлся на завтрак с каким-нибудь подобным предложением”, – вспоминал Гейзенберг. Происки Эйнштейна его, как и Паули, волновали не слишком. “Все будет в порядке, – твердили они, – все будет в порядке”. Но Бор часто приходил в возбуждение и начинал что-то исступленно бормотать.
Обычно в зал, где проходило заседание конгресса, они шли вместе, разрабатывая по пути стратегию, с помощью которой можно было бы показать несостоятельность идей Эйнштейна. “К обеду мы обычно уже могли доказать, что его мысленный эксперимент не противоречит принципу неопределенности, – вспоминал Гейзенберг, – и Эйнштейн признавал поражение. Но на следующее утро он появлялся за завтраком с новым, обычно более сложным мысленным экспериментом”. К обеду они уже знали, как опровергнуть и его.
Вернер Гейзенберг и Нильс Бор
Вернер Гейзенберг и Нильс Бор за "чашечкой" Карлсберг
Так это и продолжалось. Бору удалось отбить каждый мяч, посланный Эйнштейном, и показать, как принцип неопределенности в каждый момент времени действительно ограничивает доступную нам информацию о движущемся электроне. “Так продолжалось несколько дней, – рассказывает Гейзенберг. – И под конец мы – Бор, Паули и я – знали, что у нас под ногами твердая почва”.
“Эйнштейн, мне стыдно за вас”, – ворчал Эренфест. Он был огорчен из-за того, что в отношении квантовой механики Эйнштейн проявляет ту же неуступчивость, что когда-то физики-охранители в отношении теории относительности. “К Бору он сейчас относится точно так же, как воинствующие защитники одновременности относились к нему самому”.
Замечание, сделанное Эйнштейном в последний день конгресса, показывает, что принцип неопределенности был не единственным заботящим его аспектом квантовой механики. Его также волновало – и чем дальше, тем больше, – что квантовая механика, возможно, допускает действие на расстоянии. Другими словами, согласно копенгагенской интерпретации, нечто происшедшее с одним телом мгновенно определяет результат измерения свойств другого тела, расположенного в совершенно другом месте. Согласно теории относительности, пространственно разделенные частицы независимы. Если действие, произведенное над одним телом, немедленно влияет на другое тело, расположенное в отдалении от него, отметил Эйнштейн, “с моей точки зрения, это противоречит постулату теории относительности”. Никакая сила, включая гравитационную, не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света, настаивал он.
Может, Эйнштейн и проиграл спор, но он, как и прежде, оставался звездой конгресса. Де Бройль, мечтавший о встрече с ним, увидел Эйнштейна первый раз и не был разочарован. “Меня особенно поразило спокойное, задумчивое выражение его лица, общая доброжелательность, простота и дружелюбие”, – вспоминал он.
Этим двоим поладить было легко, поскольку де Бройль, как и Эйнштейн, пытался понять, можно ли как-то спасти причинность и достоверность классической физики. В то время он работал над так называемой теорией двойного решения, которая, как он надеялся, позволит обосновать волновую механику с точки зрения классической физики.
“Школа индетерминистов, главные адепты которой были молоды и бескомпромиссны, встретила мою теорию с холодным неодобрением”, – вспоминал де Бройль. Эйнштейн же, наоборот, одобрительно отнесся к его усилиям. Возвращаясь в Берлин, до Парижа Эйнштейн ехал одним поездом с де Бройлем.
Луи де Бройль
Прощальный разговор состоялся на платформе Северного вокзала. Эйнштейн сказал де Бройлю, что все научные теории, если оставить в стороне их математическое выражение, должны допускать такое простое изложение, “чтобы даже ребенок мог их понять”. А что может быть столь же непросто, продолжал Эйнштейн, как чисто статистическая интерпретация волновой механики! “Продолжайте, – напутствовал он де Бройля, расставаясь на станции. – Вы на правильном пути!”
Но это было не так. К 1928 году был достигнут консенсус в мнении, что квантовая механика правильна, де Бройль сдался и присоединился к большинству. “Эйнштейн, однако, не сложил оружие и продолжал настаивать, что чисто статистическая интерпретация волновой механики не может быть полной”, – с глубоким уважением вспоминал де Бройль годы спустя.
Действительно, Эйнштейн оставался упрямой белой вороной. “Я восхищен достижениями нового поколения молодых физиков, известными как квантовая механика, и я верю, что во многом эта теория истинна, – сказал он в 1929 году, когда сам Планк вручал ему медаль своего имени. – Но (это “но” всегда присутствовало, когда Эйнштейн выступал в поддержку квантовой механики) я верю, что ограничения, накладываемые статистическими законами, будут сняты”.
Макс Планк вручает медаль своего имени Альберту Эйнштейну
Макс Планк вручает медаль своего имени Альберту Эйнштейну
Так была подготовлена сцена для еще более драматического, решающего сольвеевского поединка между Эйнштейном и Бором. Он состоялся на конгрессе, проходившем в октябре 1930 года. В теоретической физике столь увлекательные сражения случаются редко.
В этот раз, пытаясь поставить в тупик группу Бора – Гейзенберга и сохранить достоверность механики, Эйнштейн придумал еще более изощренный мысленный эксперимент. Как уже упоминалось, принцип неопределенности утверждает, что существует компромисс между возможностью точного измерения координаты частицы и точного измерения ее импульса. Кроме того, согласно тому же принципу неопределенность свойственна и процессу одновременного измерения энергии системы и времени, в течение которого происходит исследуемый процесс.
В мысленный эксперимент Эйнштейна входил ящик с излучением, снабженный затвором. Затвор открывается и закрывается так быстро, что за один цикл может вылететь только один фотон. Затвор контролируется точными часами. Ящик взвешивают и получают точное значение его веса. Затем в строго определенный момент времени затвор открывается, и вылетает один фотон. Ящик взвешивают снова. Связь между энергией и массой (помните, E = mc2) позволяет точно определить энергию. А зная показания часов, мы знаем точное время вылета фотона. Вот так-то!
Конечно, на самом деле есть ограничения, не позволяющие реально поставить такой эксперимент. Но теоретически он возможен и, следовательно, опровергает принцип неопределенности.
Ящик с затвором из мысленного эксперимента Альберта Эйнштейна
Брошенный вызов потряс Бора. “Он метался от одного к другому, пытаясь уговорить всех, что такого быть не может, что если Эйнштейн прав, значит, физике пришел конец, – записал один из участников конгресса. – Но опровержения он придумать не мог. Я никогда не забуду вид этих двух противников, выходящих из университетского клуба. Величественная фигура Эйнштейна, идущего спокойно, чуть улыбаясь иронически, и семенящего рядом с ним, ужасно огорченного Бора”.
Нильс Бор и Альберт Эйнштейн после знаменитого мыслительного эксперимента последнего
Нильс Бор и Альберт Эйнштейн после знаменитого мыслительного эксперимента последнего
По иронии судьбы в этом научном споре после бессонной ночи Бору удалось заманить Эйнштейна в расставленную им же самим ловушку. В этом мысленном эксперименте Эйнштейн не принял в расчет свое собственное величайшее открытие – теорию относительности. Согласно этой теории в сильном гравитационном поле часы идут медленнее, чем при более слабой гравитации. Эйнштейн об этом забыл, но Бор помнил. При испускании фотона масса ящика уменьшается. Ящик находится в гравитационном поле земли. Чтобы его можно было взвесить, ящик подвешен на пружинке со шкалой. После вылета фотона он несколько поднимается, и именно этот небольшой подъем обеспечивает неприкосновенность принципа неопределенности для энергии и времени.
“Главным здесь был учет связи между скоростью хода часов и их положением в гравитационном поле”, – вспоминал Бор. Отдавая должное Эйнштейну, он любезно помог ему выполнить вычисления, которые и принесли в этом раунде победу принципу неопределенности. Но окончательно переубедить Эйнштейна не удавалось никому и никогда. Даже год спустя он все еще продолжал перебирать различные варианты подобных мысленных экспериментов.
Кончилось все следующим: квантовая механика доказала, что как теория она вполне успешна, а Эйнштейн впоследствии пришел к тому, что можно назвать его собственным толкованием неопределенности. Он уже говорил о квантовой механике не как о неправильной теории, а только как о неполной. В 1931 году он номинировал Гейзенберга и Шредингера на Нобелевскую премию. (Гейзенберг был удостоен премии в 1932 году, а Шредингер – одновременно с Дираком – в 1933 году.) Предлагая их кандидатуры, Эйнштейн написал: “Я убежден, что эта теория, несомненно, содержит часть истины в последней инстанции”.
Эрвин Шредингер, король Швеции и Вернер Гейзинберг на вручении Нобелевской премии Шредингеру в 1933 году.
Эрвин Шредингер, король Швеции и Вернер Гейзинберг на вручении Нобелевской премии Шредингеру в 1933 году.
Часть истины в последней инстанции. Эйнштейн все еще полагал, что есть еще нечто за реальностью, определяемой копенгагенской интерпретацией квантовой механики.
Ее недостаток в том, что она “не претендует на описание физической реальности, а только на определение вероятности осуществления физической реальности, которую мы наблюдаем”. Так в том же году писал Эйнштейн в статье в честь Джеймса Клерка Максвелла, великого мастера столь любимого им теоретико-полевого подхода к физике. Он закончил ее, заявив во всеуслышание о своем кредо реалиста – откровенном отрицании утверждений Бора, что физика имеет отношение не к природе как таковой, а только к тому, “что мы можем сказать о природе”. Услышав такое Юм, Мах, да, возможно, и сам Эйнштейн, когда был моложе, подняли бы в удивлении брови. Но теперь он провозглашал: “Вера во внешний мир, не зависящий от воспринимающего его субъекта, является основой всех естественных наук”.
Карикатура на знаменитый афоризм Альберта Эйнштейна “Бог не играет в кости”: Бог, играющий в кости.
Карикатура на знаменитый афоризм Альберта Эйнштейна “Бог не играет в кости”: Бог, играющий в кости.
