Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Бельгия сыграла очень важную роль в развитии физики первой трети XX века. Здесь проходили научные конгрессы, имевшие наибольшее значение для развития атомной и ядерной физики, теории относительности и квантовой механики. Их инициатором был Эрнест Сольве (1838-1922), химик, прославившийся тем, что разработал и запатентовал процесс производства карбоната натрия — материала, используемого среди прочего в изготовлении стекла и мыла. Первый Сольвеевский конгресс состоялся в Брюсселе осенью 1911 года. В нем участвовали более 20 ученых со всей Европы, приехавших обсудить и детально проанализировать новшества в физике. Намерением организатора, Хендрика Антона Лоренца, было создание благоприятной атмосферы, в которой лучшие ученые своего времени могли обмениваться идеями и мнениями о зарождающейся квантовой физике. Пятый Сольвеевский конгресс, проведенный в октябре 1927 года, возможно, был самым важным. Там победила копенгагенская интерпретация квантовой механики, которую Нильс Бор предложил месяцем ранее в Италии. На фото: физики — участники этого конгресса (Бор — первый справа во втором ряду).

Другой способ понять неопределенность, характерную для квантовой механики, — сосредоточиться на корпускулярноволновом дуализме. Согласно принципу дополнительности, электроны могут быть изучены как волны или как корпускулы, и обе интерпретации являются дополнительными, но несовместимыми. Это означает, что если думать об электроне как о корпускуле и как о волне, образы в результате будут полностью различными, хотя должны быть сопоставимыми.

РИС.1

Рассмотрим пример, в котором электрону предстоит пересечь решетчатую поверхность с двумя отверстиями, как показано на рисунке 1. Если мы представим его как корпускулу, электрон сможет пройти только через одно из отверстий, и его конечный пункт будет единственным; если же мы представим себе его как волну, он сможет пройти сквозь всю решетку, породив волновое явление дифракции. Это означает, что волна электрона становится видимой на экране, согласно моделям дифракции.

Для Эйнштейна оба решения были несовместимыми. Но Бор показывал ему, что это не так, поскольку отверстия в решетке и экран — это часть эксперимента, и нельзя рассуждать о поведении электронов без учета этих элементов. Так, если смотреть только на экран, не заставляя электрон проходить через конкретное отверстие, то электрон проходит через оба.

Если считать электрон корпускулой, единственное, что можно вычислить,— это вероятность того, через какое из двух отверстий он пройдет. Если заставить электрон пройти через одно из отверстий, например закрыв второе, дифракция исчезает, но при этом мы воздействуем на электрон до того, как он сможет решить, через какое отверстие ему проходить.

Истина и ясность дополняют друг друга.

Нильс Бор

Так возникает неопределенность, поскольку нельзя заранее определить, через какое из двух отверстий пройдет заданный электрон; можно только вычислить вероятность на основе начальных условий и проверить в конце эксперимента, через какое из них он прошел. Отсюда выражение «Бог не играет в кости». Для Эйнштейна факт, что миру свойственна неопределенность, что нельзя точно предсказать будущее, был ограничением, которое нельзя принять априори, поскольку это могло бы означать, что в мире нет причинности и явления происходят без ясной на то причины.

Таким образом, дебаты между Бором и Эйнштейном становились все более философскими — не потому, что они противостояли науке (или, что хуже, были антинаучными), а именно потому, что ученые спорили, что такое наука и чем она должна быть. Ключевым понятием для Бора было «явление», в то время как для Эйнштейна — «объективная реальность». Позже Бор, верный своему стремлению четко определять используемые термины, уточнил идею «явления», связав ее «исключительно с наблюдениями, полученными при специфических обстоятельствах, в том числе с описанием всего эксперимента».

Формулировка Бора означала, что физика, как и любая наука, могла объяснить только результат наблюдений при заданных экспериментах и не имела права идти дальше в своих претензиях на знание. Для Эйнштейна это было абсолютно неприемлемо, поскольку предполагало определенный эпистемологический пессимизм и серьезное субъективное обременение. Наука и человек не перестанут стремиться узнавать то, что он называл «объективной реальностью», то есть узнавать, каковы вещи сами по себе. Бор предлагал оставить эту попытку и сосредоточиться на том, как люди получают знания, особенно в квантовом масштабе, приняв тот факт, что мы никогда не сможем преодолеть барьер своей способности познать действительность. Эйнштейн был убежден, что позиция Бора — исключительно промежуточный шаг на пути к более полной и цельной теории.

Одна из самых важных дискуссий, которые вели Эйнштейн и Бор, с тех пор повторившаяся бесчисленное количество раз, касалась причинности в интерпретации квантовой механики. Противники копенгагенской интерпретации утверждали, будто Бор уничтожил основополагающий столп науки — принцип причинности. Однако это обвинение происходило от распространенной путаницы между детерминизмом и причинностью. Принцип причинности гласит: «Все, что происходит, происходит по какой-то причине». В традиционной со времен Ньютона интерпретации этот принцип внешне означает как будто то же самое: «Одна причина всегда порождает одно и то же явление». Однако вторая формулировка справедлива только для одного типа причинности — детерминированной. Но не любая причинность обязательно детерминированная. Если, например, засеять поле пшеницей, какие-то из зерен взойдут, а какие-то — нет. Априори все зерна должны взойти, поскольку тип почвы один и тот же и среда одна и та же. Но этого не происходит. Зерна не прорастают, потому что без почвы, без воды, без солнечного света не взойдет ни одно семя. Все прорастающие зерна способны на это ввиду благоприятных условий, но эти условия не гарантируют, что взойдут все из них. Нечто подобное происходит в квантовой механике. Когда происходит какое-то явление, например радиоактивный распад, оно всегда обязано присутствию благоприятных условий. Но не всякий раз, когда эти условия присутствуют, можно утверждать, что распад произойдет. При этом отрицается не принцип причинности, а лишь возможность точно предсказать все, что случится. 

После неудачных попыток разбить теорию Гейзенберга и Бора Эйнштейну ничего не оставалось, кроме как принять ее, но не их интерпретацию квантовой механики. Эйнштейн верил, что со временем физика сформулирует более полную теорию, которая позволит отказаться от копенгагенской интерпретации и прийти к абсолютному и точному знанию об «объективной реальности».

Через несколько месяцев после окончания Сольвеевского конгресса 1927 года Эйнштейн выразил свое разочарование ироничными словами: 

«Философия успокоения Гейзенберга — Бора (или религия?) так тонко придумана, что представляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой не так легко его спугнуть. Пусть спит». 

Эйнштейн был уверен, что рано или поздно квантовая система в том виде, как ее понимали Бор, Гейзенберг и Паули, рухнет. Но этот момент не наступил: Бор и сегодня все еще остается победителем в данной полемике.

К 1930 году квантовая механика сформировала свои принципы, но оставалось применить их и проверить справедливость для возрастающего числа явлений, неизвестных до тех пор. У модели атома Бора была несколько суетливая жизнь с момента ее рождения, но основные черты оставались неизменными: положительное атомное ядро с электронами вокруг. Имелись два тесно взаимосвязанных вопроса: из чего состоит ядро и откуда берутся электроны, составляющие ^-радиоактивность?