Звездочёты. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

Джордж Томпсон (1892–1975) – известный британский физик, подтвердивший на опыте волновые свойства электрона. Лауреат Нобелевской премии по физике (1937), вместе с Клинтоном Дэвиссоном.

Сказка об очень умном физике Гейзенберге, который ничего не знал наверняка

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 философа Канта. Где-то вдали стреляли пушки и рвались снаряды, а мальчик лежал и читал про законы звёзд и про этические постулаты. Он не знал, что ждёт впереди его самого, его страну и весь мир. Но мы знаем, что скоро кончится эта война, но она будет далеко не последней; мы знаем, что в ближайшие десятилетия мир изменится до неузнаваемости – благодаря и тому, что мальчик по имени Вернер лежит и читает Канта для собственного удовольствия…

В конце XIX века жил-был в Германии учёный Август Гейзенберг, который занимался самым тихим и несовременным занятием в мире – изучал старые византийские рукописи, написанные на древнегреческом языке. Он ездил в Италию и Грецию для их исследования и преподавал историю студентам в университете.

У него было два сына – Эрвин, который стал химиком, и Вернер, увлёкшийся математикой и физикой. И надо же было такому случиться, что в семье человека, больше всего ценившего невозмутимость исторических событий, вырос бунтарь, который изменил ход истории в совсем юном возрасте.

Возможно, разгадка кроется в том, что юность Вернера Гейзенберга пришлась на бурный революционный период в истории Германии. Весной 1918 года Вернера с другими 16-летними школьниками отправили на ферму работать, помогая воюющей Германии. Вернер был не похож на других мальчиков и успевал после работы на ферме читать философов – Платона и Канта, очень трудных для понимания среднего человека. После Первой мировой войны в Германии наступил период политической нестабильности, общественного брожения и страстных митингов. В 1919 году Вернер посещал собрания молодёжного движения, где он выслушал немало горячих выступлений против общественных традиций и предрассудков. Но и сейчас он оказался не похож на остальных подростков – и в это революционное время увлёкся больше всего физикой и математикой.

Во время долгой болезни, ещё будучи школьником, Вернер Гейзенберг прочёл сложную книгу Германа Вейля «Пространство, время и материя» и впечатлился мощью описанных математических методов. Его выдающиеся знания были отмечены на выпускном экзамене гимназии.

В 1920 году Вернер поступил в Мюнхенский университет, став учеником профессора Зоммерфельда и окунувшись в мир современной теоретической физики. В 1923 году он подготовил диссертацию по теоретической гидродинамике, но не учёл, что для получения степени необходимо сдать экзамен и по экспериментальной физике. В результате он не смог ответить ни на один вопрос старого и дотошного профессора Вина – ни о разрешающей способности микроскопа, ни о принципах работы свинцового аккумулятора.

– Да, свинцовые аккумуляторы могут утопить любого теоретика! – хихикнул Андрей.

– Только заступничество профессора Зоммерфельда спасло диссертанта от полного провала. Получив степень, Вернер с головой погрузился в новую квантовую физику и стал ассистентом Макса Борна в Гёттингене – вместе с другим ассистентом, Паули. Борн вспоминал Гейзенберга: «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 в Копенгагене. Но скромный парень быстро перерос роль ассистента. В 1925 году в возрасте 23 лет Вернер создал новую квантовую механику на основе математических матриц. Она была уже совсем независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.

– В 23 года! – поразилась Галатея. – А что такое матрицы?

– Матрицами называют прямоугольные таблицы из чисел. Гейзенберг предположил, что любой физической величине, которую можно наблюдать в эксперименте, соответствует своя матрица. Молодой учёный сумел описать квантовые скачки в атоме Бора и любые изменения в состоянии квантомеханических систем с помощью математических операций над матрицами.

Через полтора года, в начале 1927-го, Гейзенберг вывел квантовое соотношение неопределённости, которое стало знаковым для современной науки. Соотношение гласило, что наш мир принципиально неточен: мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любого объекта, например электрона. Если мы точно измерим его импульс, то утратим информацию о его положении. Если точно измерим координаты электрона, то потеряем возможность определить его импульс или скорость.

– То есть учёные ничего не могут знать наверняка? – поразилась Галатея. – Как бы они ни старались, в их измерениях всегда будут ошибки?!

– Да. Неопределённость в координатах электрона, умноженная на ошибку в его импульсе, равна постоянной Планка – и это соотношение неопределённостей Гейзенберга прекрасно дополнило концепцию де Бройля о частицах как о волнах. Если мы попробуем захватить частицу в хитрую ловушку-прибор, то есть точно зафиксировать её местоположение, ошибка в определении её импульса станет бесконечно большой.

– Информация уходит сквозь пальцы, как волна! – хихикнула Галатея.

Андрей заявил:

– Очень похоже, что Галатея тоже подчиняется этому соотношению, – Дзинтара улыбнулась, глядя на возмущённую дочь:

– Соотношение неопределённостей Гейзенберга трактуют и так: для измерения параметров квантовой системы требуется вмешательство прибора в систему, и это вмешательство так искажает характеристики квантовой системы, что она забывает своё первоначальное состояние – и мы утрачиваем возможность его узнать.

Галатея, подчёркнуто игнорируя брата, обратилась к матери:

– Мама, судя по этим историям, учёные-теоретики делают свои работы в очень молодом возрасте. Но ведь с годами опыт и знания растут, и открытий должно становиться больше.

– Давно замечено, что самый плодотворный возраст теоретика – первые несколько лет после окончания университета. Для теоретических открытий важен не только опыт и знания, но и смелость молодости, свежий взгляд. Пожилой человек с трудом идёт на изменение истин, с которыми он долго жил.

Успехи Вернера Гейзенберга не остались незамеченными: университеты наперебой приглашали его занять профессорскую должность. В октябре 1927 года в возрасте 25 лет Вернер стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.

– Теперь к нему никто не мог пристать со свинцовыми аккумуляторами! – удовлетворенно отметила Галатея.

– Гейзенберг был демократичным и весёлым человеком, после научных занятий с азартом играл в настольный теннис. Его первый ученик – Феликс Блох, впоследствии ставший лауреатом Нобелевской