Сказка о физике Вернере Гейзенберге, который ничего не знал наверняка
Ник. Горькавый
В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, стал учеником профессора Арнольда Зоммерфельда и окунулся в мир теоретической физики.
«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010—2014 гг.; в №№ 1, 4—7, 9, 2015 г.; в №№ 1, 2, 3, 2016 г.
— Вечерние горы подёргивались прохладным туманом, по зелёным пологим пастбищам бродили коровы, позвякивая шейными колокольчиками и похрустывая свежей травой. На лугу высились стога сена, заготовленные на зиму. В одном из стогов лежал светловолосый подросток и читал книгу немецкого философа Иммануила Канта. Где-то вдали стреляли пушки и рвались снаряды, а мальчик читал про звёзды, про процессы познания, размышлял над проблемами бытия, нравственности и этики. Он не знал, что ждёт впереди его самого, его страну и весь мир. Не знал, что Первая мировая война скоро кончится и что она будет далеко не последней; что в ближайшие десятилетия мир изменится до неузнаваемости, в том числе и благодаря тому, что мальчик по имени Вернер Гейзенберг лежит на лугу и читает Канта для собственного удовольствия. Это был особенный мальчик, не похожий на других.
— С этого и надо было начать, — заметила Галатея.
— Что ж, с этого и начнём, — ответила принцесса Дзинтара, и её дети, Галатея и Андрей, приготовились слушать очередную вечернюю сказку.
— Итак, в начале ХХ века жил-был в Германии мальчик… Его отец, Август Гейзенберг, занимался самым тихим занятием, которое только можно вообразить: изучал древние византийские рукописи, написанные на древнегреческом языке. Он ездил в Италию и Грецию для их исследования и преподавал историю студентам в Мюнхенском университете. У него было два сына: Эрвин, который стал химиком, и Вернер. И надо же было такому случиться, чтобы в семье человека, больше всего ценившего классические представления о мире, вырос бунтарь, который отбросил существующие воззрения на время и пространство и предложил новые подходы к их пониманию.
— Как же это получилось? — спросил Андрей.
— Ещё будучи школьником, Вернер во время долгой болезни прочёл книгу Германа Вейля «Пространство. Время. Материя», и его впечатлила мощь описанных в ней математических методов. С этого момента Гейзенберг увлёкся математикой. Выдающиеся знания молодого человека отметили на выпускном экзамене в гимназии.
Юность Вернера пришлась на бурный революционный период в истории Германии. Весной 1918 года его вместе с другими 16-летними школьниками отправили работать на ферму — помогать воюющей Германии. Гейзенберг был не похож на своих сверстников. По вечерам он спешил уединиться и с увлечением читал философские труды Платона и Канта.
После Первой мировой войны в Германии наступил период политической нестабильности, общественного брожения и протестных выступлений. Вернер посещал собрания молодёжного движения, где слушал горячие выступления против общественных традиций и предрассудков. Но даже тогда главный интерес для него представляли не политика и философия, больше всего его увлекали физика и математика.
В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, стал учеником профессора Арнольда Зоммерфельда и окунулся в мир теоретической физики. Через три года он подготовил диссертацию по теоретической гидродинамике, но не учёл, что для получения учёной степени необходимо сдать устный экзамен и по экспериментальной физике. Вернер не смог ответить на вопросы дотошного профессора Вильгельма Вина и чуть не провалился. Только заступничество Арнольда Зоммерфельда спасло диссертанта от полного провала.
Получив степень, Гейзенберг занялся новой квантовой физикой. Вместе с Вольфгангом Паули он стал ассистентом Макса Борна — директора физического института Гёттингенского университета. Борн писал о Гейзенберге: «Он был похож на простого крестьянского парня, с короткими светлыми волосами, ясными живыми глазами и чарующим выражением лица. Он выполнял свои обязанности ассистента более серьёзно, чем Паули, и оказывал мне большую помощь. Его непостижимая быстрота и острота понимания всегда позволяли ему проделывать колоссальное количество работы без особых усилий».
Гейзенберг поработал и у Нильса Бора (см. «Наука и жизнь» № 1, 2016 г., статья «Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, разыскавшем связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка»). Они познакомились в 1922 году во время так называемого Боровского фестиваля. Гейзенберг беседовал со знаменитым датчанином, и этот разговор во многом повлиял на его взгляды и подходы к решению научных проблем. «У Зоммерфельда я научился оптимизму, у гёттингенцев — математике, а у Бора — физике», — писал он.
В 1925 году, в возрасте 23 лет, Вернер создал новую квантовую механику на основе математических матриц. Она была независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.
— А что такое матрицы?
— Матрицами называют прямоугольные таблицы чисел. Гейзенберг предположил, что любой физической величине, которую можно наблюдать в эксперименте, соответствует своя матрица. Он сумел описать квантовые скачки в атоме Бора и любые изменения в состоянии квантомеханических систем с помощью математических операций над матрицами. Через полтора года Гейзенберг вывел квантовое соотношение неопределённостей, ставшее знаковым для современной науки. Соотношение гласило, что наш мир принципиально не точен: мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любого объекта, например электрона. Если мы точно измерим импульс электрона, то утратим информацию о его положении, а если точно измерим его координаты, то потеряем возможность определить импульс или скорость.
— Значит, учёные ничего не могут знать наверняка? — поразилась Галатея. — Как бы они ни старались, в их измерениях всегда будут ошибки?
— Увы, это так. Неопределённость в координатах электрона, умноженная на ошибку в его импульсе, равна постоянной Планка (см. «Наука и жизнь» № 7, 2015 г., статья «Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную»), — и это соотношение неопределённостей Гейзенберга прекрасно дополнило концепцию де Бройля (см. «Наука и жизнь» № 2, 2016 г., статья «Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире») о частицах как о волнах. Если мы попробуем захватить частицу в хитрую ловушку, то есть точно зафиксируем её местоположение, ошибка в определении импульса частицы станет бесконечно большой.
— Информация уходит сквозь пальцы как волна, — усмехнулась Галатея.
— Очень похоже, — вмешался Андрей, — что Галатея тоже подчиняется этому соотношению неопределённостей: её никогда не бывает в нужном месте в нужное время!
Дзинтара улыбнулась, глядя на возмущённую дочь, и продолжила:
— Соотношение неопределённостей Гейзенберга трактуют и так: для измерения параметров квантовой системы требуется инструментальное вмешательство, и это вмешательство настолько сильно искажает её характеристики, что система «забывает» своё первоначальное состояние, и мы утрачиваем возможность узнать, каким оно было.
Галатея, делая вид, что не замечает брата, обратилась к матери:
— Мама, судя по историям, которые ты нам рассказала, теоретики делают открытия в очень молодом возрасте. Но ведь с годами опыт и знания растут и открытий должно быть больше.
— Давно замечено, что самый плодотворный возраст для теоретических открытий — первые несколько лет после окончания университета, ведь важны не только опыт и знания, но и свежий взгляд и смелость молодости. В пожилом возрасте учёный с трудом соглашается с попранием истин, с которыми он долго жил.
Успехи Вернера Гейзенберга не остались незамеченными. Университеты наперебой приглашали его занять профессорскую должность. В возрасте 25 лет Вернер стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.
— Теперь его никто не мог упрекнуть в незнании физики! — удовлетворённо отметила Галатея.
— Все, кто с ним работал, вспоминали, что Гейзенберг был демократичным и весёлым человеком. После научных занятий он, например, с азартом играл в настольный теннис. Биографы — его ученики Невилл Мотт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1977 год, и Рудольф Пайерлс — в книге, посвящённой великому учёному, писали о том периоде жизни Гейзенберга, когда он создал квантовую механику и стал молодым профессором: «Никто не осудил бы его, если бы он начал воспринимать себя серьёзно и стал слегка напыщенным после того, как предпринял по крайней мере два решающих шага, изменивших лицо физики, и после получения в столь юном возрасте статуса профессора, что заставляло и многих более старых и менее значительных людей чувствовать себя важными, но он остался таким, каким и был, — неофициальным и весёлым в обращении, почти мальчишеским и обладающим скромностью, граничащей с застенчивостью».
Нобелевскую премию по физике «За создание квантовой механики» Гейзенберг получил в неполных 32 года. Он, безусловно, был рад, но, будучи скромным и справедливым, выразил удивление, что его коллеги по созданию квантовой механики Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак получили одну Нобелевскую премию на двоих, а Макс Борн вообще ею обойдён.
— Гейзенберг так много работал, но была ли у него девушка или семья? — спросила Галатея. — Или он занимался одной наукой?
— В 35 лет Вернер женился на Элизабет Шумахер, дочери берлинского профессора-экономиста. Они жили долго и счастливо и у них было семеро детей. Дочери Гейзенберга Анна-Мария и Верена стали физиологами, сын Мартин — генетиком, а Йохен пошёл по стопам отца, он был физиком-ядерщиком.
Гейзенберг умер в 1976 году. Юджин Вигнер, лауреат Нобелевской премии по физике за 1963 год, написал тогда: «Нет такого живущего физика-теоретика, который сделал больший вклад в нашу науку, чем он. В то же время он был доброжелателен со всеми, лишён высокомерия и составлял приятную компанию». А его первый ученик Феликс Блох, ставший лауреатом Нобелевской премии по физике в 1952 году, вспоминал: «Если я должен выбрать единственное из его великих качеств как учителя, то это было бы его необычайно позитивное отношение к любому прогрессу… Одной из наиболее удивительных особенностей Гейзенберга была почти безошибочная интуиция, которую он проявлял в своём подходе к физической проблеме, и феноменальный способ, с помощью которого решения как будто падали с неба».
***
Вернер Карл Гейзенберг (1901—1976) — немецкий физик-теоретик, один из основателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1932 года.
Герман Вейль (1885—1955) — немецкий математик и физик-теоретик. Автор знаменитой книги «Пространство. Время. Материя» — одного из первых изложений общей теории относительности Эйнштейна.
Арнольд Иоганнес Вильгельм Зоммерфельд (1868—1951) — немецкий физик-теоретик и математик. Учитель и научный руководитель Вернера Гейзенберга.
Макс Борн (1882—1970) — немецкий и британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1954 года.
Феликс Блох (1905—1983) — швейцарский физик, ученик Вернера Гейзенберга. Лауреат Нобелевской премии по физике 1952 года.
Невилл Франсис Мотт (1905—1996) — английский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике 1977 года, которую он получил вместе с Филипом Андерсоном и Джоном ван Флеком.
Статьи по теме
- Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, разыскавшем связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка
- Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную
- Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире
Читайте в любое время
