Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?

Эйнштейн в числе прочих физиков не был готов согласиться с этим выводом, и его дискуссии с Бором, посвященные данным вопросам, оказались крайне продуктивными. Эйнштейн описал мысленные эксперименты (то есть возможные логически, но нереализуемые на практике из-за технических ограничений), которые доказывали некорректность интерпретации Бора, однако Бор неизменно опровергал все возражения оппонента. Больше всего проблем вызвал так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена, опубликованный в 1935 году. Представьте себе две частицы, которые появились в одной точке и начали движение в противоположных направлениях, например в результате распада какой-либо частицы. Импульсы этих частиц равны и имеют противоположные направления. Если мы измерим положение одной частицы и импульс другой в момент, когда они настолько удалены друг от друга, что какое-либо взаимодействие между ними отсутствует, то сможем одновременно определить обе эти величины для каждой из частиц по отдельности. Следовательно, принцип Бора, согласно которому одновременно измерить эти величины с произвольной точностью нельзя, не выполняется.

В свое время заголовки некоторых газет гласили, что Эйнштейн обрушился с нападками на квантовую теорию, однако журналисты не поняли сути вопроса: речь шла не о корректности квантовой механики как таковой, а о ее интерпре-

Фрагмент письма Гейзенберга к Паули от 23 февраля 1927 года, где изложены основы принципа неопределенности, который является частью копенгагенской интерпретации.

Гейзенберг и Бор (на фотографии внизу) с Максом Борном были основными носителями копенгагенского духа.

тации и связанных с этим философских проблемах. В целом эти вопросы крайне важны с концептуальной точки зрения, однако не интересуют большинство физиков, так как не имеют отношения к исследованиям. Как правило, ученые увлекаются проблемами, позволяющими делать прогнозы, истинность которых либо подтверждается экспериментально, либо следует из непротиворечивости самой теории.

Эксперимент, проведенный в 1982 году Аленом Аспектом, Жаном Далибаром и Жераром Роже, изменил все. Он подтвердил самые парадоксальные прогнозы квантовой механики, и это заставило некоторых сказать: метафизика стала экспериментальной. Кроме того, был сделан шаг к развитию квантовой информатики, одним из истоков которой можно назвать парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена.

Принцип, соотношение или неравенство? Неопределенность, неточность, недетерминированность? Различные сочетания этих слов обозначают одно и то же, что приводит к путанице. Этой путаницы можно избежать, если использовать наиболее нейтральное словосочетание – неравенства Гейзенберга.

В физике принципом обычно называется фундаментальная гипотеза, как правило, подтвержденная экспериментально, которая служит основой для исследований в той или иной области. В качестве примера можно привести принцип Архимеда, принцип Паскаля и принципы термодинамики. Первые два принципа доказаны уже давно, однако они по-прежнему называются принципами в силу привычки или в знак уважения к их авторам. Гейзенберг не использовал этот термин, так как не постулировал свои результаты, а вывел их, поэтому будет уместнее говорить о теореме или о неравенствах Гейзенберга. Более деликатным является другой вопрос. Слово «неопределенность» подразумевает, что субъект не имеет четких знаний о чем-либо. На этом основании некоторые утверждают, что неравенства Гейзенберга накладывают ограничения на субъективные знания о природе, но не говорят ничего о самой природе. Следующим шагом в этих рассуждениях может стать отрицание любого объективного знания, и некоторые совершают этот шаг без каких-либо затруднений. Однако физики (а вместе с ними – и автор данной книги) вкладывают в это слово совершенно иной смысл.

Гейзенберг использовал слово Ungenauigkeit, что переводится как «неточность». Таким образом, речь идет не о субъекте, а об объекте эксперимента, о результатах измерения – именно так иногда объясняют смысл неравенств Гейзенберга. При измерении некой величины в лаборатории эксперименты повторяются достаточно большое число раз, что позволяет определить точность результата. Неточность имеет отношение к среднеквадратичному отклонению, то есть отклонению наблюдаемых значений от среднего. Слово «неточность» указывает, что неравенства Гейзенберга накладывают ограничения на измерения, которые можно выполнить в лаборатории, но это не так. Любую величину, указанную в неравенствах Гейзенберга, в частности импульс и положение электрона, можно измерить по отдельности с произвольно высокой точностью, по крайней мере теоретически. Смысл неравенств Гейзенберга заключается в том, что эта точность не может быть достигнута при одновременном измерении величин. Но так как волновая функция обозначает плотность вероятности, то можно с точностью определить среднее положение и импульс, которые обычно называют х и р соответственно, а также их среднеквадратичные отклонения Ах и Ар, рассчитываемые как квадратные корни средних значений (х – х)2 и (р-р)2 . Поэтому можно связать смысл этих величин с измерением.

Неравенства Гейзенберга в немецком языке также обозначаются словом Unscharferelation, a Unscharfe – это «нечеткость». Можно также использовать слово «недетерминированность», которое не указывает ни на ограниченность знаний субъекта, ни на сложности с проведением измерений. Неравенства Гейзенберга означают, что постоянная Планка – это универсальная мера недетерминированности, вносимой корпускулярно-волновым дуализмом и возникающей ввиду того, что мы продолжаем использовать классические понятия для описания квантовых явлений.

Глава 4 В защиту теоретической физики

После того как были заложены основы квантовой механики, ученые начали системно применять ее в других областях физики, в частности при изучении химических связей, ферромагнетизма и строения атомных ядер. Наблюдая за тем, как растет влияние нацизма, Гейзенберг использовал весь свой авторитет, который значительно возрос после получения им в 1933 году Нобелевской премии, чтобы помешать нацистским идеологам определять «правильность» научных открытий.

В октябре 1927 года, когда Гейзенбергу не исполнилось и 26 лет, его пригласили занять должность профессора теоретической физики в Лейпцигском университете. Там он проработал 16 лет вплоть до переезда в Берлин. Ученый с этого времени и до конца жизни вел научно-просветительскую работу и рассказывал о квантовой механике и связанных с ней философских вопросах. После того как к власти пришли нацисты, Гейзенберг посвящал большую часть времени сохранению уровня немецкой науки и защите теоретической физики. Эта глава охватывает период протяженностью 12 лет, вплоть до начала Второй мировой войны.