«Однако скоро пришло охлаждение»

Создатели квантовой механики не раз признавались, что их открытия были сделаны под большим влиянием идей Альберта Эйнштейна. Они ожидали найти полног понимание и с его стороны, но этого не случилось. Альберт Эйнштейн живо интересовался успехами квантовой механики, вел активную переписку с Нильсом Бором, Максом Борном, Вернером Гейзенбергом и Эрвином Шрёдингером, но собственных работ, развивающих подходы указанных авторов, не публиковал. Его отношение к новой науке менялось очень быстро. Эйнштейн одним из первых заметил результат Гейзенберга и уже 20 сентября 1925 года писал Паулю Эренфесту: «Гейзенберг снес большое квантовое яйцо. Настоящее колдовское исчисление, в котором вместо декартовых координат появляются бесконечные определители (матрицы). В высшей степени остроумно и благодаря своей сложности застраховано от доказательства ошибочности».

Замечание. Интересно, что эта язвительная реплика в полной мере относится и к теории самого Эйнштейна!

Несмотря на то, что в теории матриц, на которую опиралась квантовая механика, Эйнштейн чувствовал себя не очень уверенно, он пытался разобраться в сути нового подхода к явлениям микромира. Вывод, к которому он пришел, был неутешителен для теории Гейзенберга — Борна — Йордана: «идея, несмотря на всё мое восхищение ею, неверна».

Тем не мене, всего через две недели в письме Хедвиг Борн автор теории относительности с восхищением пишет о квантовой механике: «Идеи Гейзенберга — Борна захватили чувства и мысли всех ученых, интересующихся теорией, и мы, толстокожие тугодумы, вместо унылого смирения ощущаем теперь редкое для нас волнение».

Комментируя это письмо, Макс Борн пишет, что он и Гейзенберг были рады услышать такое мнение великого физика о теории, которую они развивали. И продолжает: «Однако скоро пришло охлаждение».

В письме от 4 декабря 1926 года Эйнштейн говорит Борну о квантовой механике уже другим тоном, не забыв упомянуть свою излюбленную поговорку о боге и азартных играх: «Квантовая механика производит сильное впечатление. Но внутренний голос говорит мне, что не в ней суть проблемы. Эта теория дает многое, но вряд ли она приближает нас к разгадке тайны всевышнего. Во всяком случае, я убежден, что он не играет в кости»

Борн не скрывал своего разочарования: «Приговор квантовой механике, вынесенный Эйнштейном, стал для меня тяжелым ударом: он отверг ее, правда, без какого-либо обоснования, ссылаясь только на „внутренний голос“. Это отрицание играет в последующих письмах большую роль. Оно покоится на глубоком философском расхождении во мнениях, которое отделяет Эйнштейна от более молодого поколения, к которому отношусь и я, хотя я только на три года моложе Эйнштейна».

Расхождение во мнениях Эйнштейна и молодого поколения физиков, о котором говорит Макс Борн, связано, прежде всего, со статистическим описанием физических явлений, которое предлагает квантовая механика. Эйнштейн всю жизнь был убежден, что физика помогает человеку получить точные знания об объективно существующем внешнем мире. Макс Борн и его молодые коллеги, ученики и ассистенты постепенно приходили к выводу, что это, на самом деле, не так. Вот как это сформулировал сам Борн: «В каждый момент времени мы имеем лишь грубые, приближенные знания объективного мира, и отсюда с помощью определенных правил, вероятностных законов квантовой механики, мы можем сделать заключения о неизвестных (будущих) состояниях».

Собственных попыток внести ясность в новую науку о микромире Эйнштейн  не оставил и в 1927 году подготовил статью с длинным названием «Полностью или только статистически определяет волновая механика Шрёдингера движение системы?». В ней он пытался показать, что соотношения неопределенностей Гейзенберга не всегда справедливы. Эта статья была представлена заседанию Прусской академии наук 5 мая 1927 года и рекомендована к печати. Однако статья так и не вышла в свет. Когда она была уже в типографском наборе, автор позвонил в издательство и забрал ее назад. Уберег великого физика от позора сам автор соотношения неопределенностей. Узнав о подготовке такого «опровержения» одной из самых важных своих работ, он 19 мая написал Эйнштейну письмо, в котором просил более подробных сведений, «в особенности потому, что очень много думал над этими вопросами и поверил в соотношение неопределенностей только из-за угрызений совести, хотя теперь уверен в нем полностью».

«Эйнштейн, мне стыдно за тебя»

Квантовая механика была создана за три года — с 1925-го по 1927-й. Итоги рождения новой науки подвел Пятый Сольвеевский конгресс, состоявшийся осенью 1927 года в Брюсселе. Его тема была «Электроны и фотоны». Электроны в названии темы символизировали материальные частицы, а фотоны выступали носителями волновых свойств света. Термин «фотон», заменяющий эйнштейновский «квант света», родился незадолго до начала конгресса — его предложил американский физик и химик Гильберт Льюис в 1926 году, опубликовав в журнале Nature статью «Сохранение фотонов». Научные доклады, отбираемые Сольвеевским комитетом для конференции, должны были показать различные подходы ученых к взаимоотношениям волн и частиц в микромире.

Президент Сольвеевского научного комитета Хендрик Антон Лоренц предложил Эйнштейну выступить на конгрессе с пленарным докладом. Великий физик согласился, подчеркнув уважение к старшему коллеге: «Если вы хотите, чтобы я взялся за доклад по квантовой статистике, то я сделаю это с удовольствием, потому что, если я не нахожусь в особо трудном положении, то вам я никогда не могу сказать „нет“».

Однако после серьезных размышлений Эйнштейн от доклада на Пятом Сольвеевском конгрессе отказался. В письме Лоренцу от 17 июня 1927 года он признавался: «Я помню, что обещал вам подготовить для Сольвеевской конференции доклад о квантовых статистиках. После долгих колебаний я пришел к заключению, что недостаточно компетентен, чтобы подготовить доклад таким образом, который действительно соответствует положению вещей. Причина в том, что я не в состоянии активно участвовать в современном развитии квантовой теории в той мере, как это необходимо для поставленной цели. Отчасти потому, что моих способностей не хватает, чтобы полностью охватить стремительное развитие теории, но также и потому, что я не разделяю чисто статистический способ мышления, на котором она основана... До последнего момента я продолжал надеяться, что смогу внести в Брюсселе что-то ценное. Теперь я оставил эту надежду. Прошу вас не сердиться на меня из-за этого; мне далось это нелегко, хотя я старался изо всех сил».

Замечание. Эйнштейн лишён был способности мыслить статистически. Опыт моей преподавательской деятельности на стыке математика-физика свидетельствует о том, что умению мыслить статистически нужно учить специально. Эйнштейн такой школы не прошёл.

Ответ самого Эйнштейна на запросы времени был определенно отрицательный: квантовая механика не позволяет дать точное описание движения отдельного электрона. Волновая функция, связанная с конкретным электроном, будет распределена по всему экрану, так что согласно интерпретации волновой функции по Максу Борну для любой точки фотопленки вероятность попадания в нее электрона отлична от нуля.

Но как только в какой-то точке регистрируется попадание туда электрона, вероятность попадания во все остальные точки мгновенно обращается в нуль. Отсюда следует, что между точкой попадания электрона и любой другой точкой фотопленки имело место некоторое особенное мгновенно распространяемое действие, а это, по словам Эйнштейна, противоречит постулату теории относительности.

Квантовая механика отрицает возможность точного предсказания движения отдельного электрона. Вместо этого она позволяет найти вероятность, с которой тот или иной электрон попадет в заданную область фотопленки. С точки зрения квантовой механики невозможность получить полную информацию о положении и скорости частицы есть проявление закона природы. С этим Эйнштейн не мог и не хотел смириться. Он привык считать, что вероятностное описание реальных процессов есть следствие нашей неполной информируемости: вот лучше разберемся в деталях процесса — и заменим статистическое описание детерминированным. Мы уже видели, что «Бог не играет в кости» — любимая поговорка Эйнштейна.

В трудах Пятого Сольвеевского конгресса о других выступлениях Эйнштейна ничего не говорится. Зато о его спорах с Бором в неофициальной обстановке оставили воспоминания многие участники. Вот что писал Вернер Гейзенберг в воспоминаниях о Нильсе Боре: «Дискуссия свелась вскоре к дуэли между Эйнштейном и Бором по вопросу о том, можно ли считать, что квантовая теория в современной форме решает те проблемы, которые десятилетиями обсуждались учеными. Мы встречались, как правило, за завтраком в отеле, и Эйнштейн начинал описывать мысленный эксперимент, при котором, как он считал, будут отчетливо видны внутренние противоречия копенгагенской интерпретации. После этого Эйнштейн, Бор и я шли вместе от отеля к зданию, где проходил конгресс, и я слушал оживленную дискуссию между ними, такими разными по философским убеждениям людьми, и вставлял время от времени замечания о структуре математического формализма. Во время заседания и, главным образом, во время перерывов мы, более молодые, особенно Паули и я, анализировали эйнштейновские эксперименты, во время обеда проходили дальнейшие обсуждения между Бором и другими копенгагенцами. Ближе к вечеру у Бора был уже готов полноценный анализ мысленного эксперимента и за ужином он предлагал его Эйнштейну. Против анализа Эйнштейн не мог ничего по существу возразить, но в душе он оставался непреклонным». 

На следующий день всё повторялось: утром контрпример Эйнштейна, днем его обсуждение группой молодых теоретиков, вечером опровержение Бора и новое подтверждение правильности копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Примерно такое же впечатление осталось у Отто Штерна, который присутствовал на конгрессе как гость: «Эйнштейн во время завтрака высказывал возражения по поводу новой квантовой теории, изобретая красивые эксперименты, из которых было ясно, что [эта теория] не работает... Паули и Гейзенберг не обращали на это особого внимания и отделывались фразами типа „всё будет в порядке, всё образуется“. Бор же слушал очень внимательно и вечером, за ужином, когда все собирались вместе, подробно разъяснял, в чем дело».

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор

Нильс Бор вспоминал в статье 1949 года, что «самое живое и стимулирующее участие принимал в этих спорах и Эренфест, который много лет был связан с нами обоими тесной дружбой».

Ученики Эренфеста взяли с него обещание, что он будет им писать письма о самом интересном, что происходило на Сольвеевском конгрессе. Благодаря этим своеобразным отчетам по горячим следам мы знаем многие детали «битвы титанов». Вот что писал Пауль Эренфест Сэмюэлю Гаудсмиту и Джорджу Уленбеку 3 ноября 1927 года, через четыре дня после окончания конгресса: «Сольвеевский конгресс в Брюсселе был славным. Абсолютно всех превзошел БОР (выделено Эренфестом).  Поначалу он совсем ничего не понимал, но потом шаг за шагом всех превзошел. Естественно, снова эта дурацкая боровская заговорщицкая терминология. (Бедный Лоренц в качестве переводчика между не понимавшими друг друга англичанами и французами... Бор, реагирующий с вежливым отчаянием). Каждую ночь около часу Бор приходил ко мне в комнату, чтобы до трех сказать „одно-единственное слово“. Мне повезло присутствовать во время разговоров между Бором и Эйнштейном. Всё выглядело как шахматная партия. Эйнштейн выдает каждый раз новый пример. В каком-то смысле вечный двигатель второго рода, чтобы разбить соотношение неопределенностей. Бор постоянно разыскивает в темном облаке философических туманностей нужный инструмент, чтобы разбить пример за примером. Эйнштейн как чертик из табакерки: каждое утро снова резво выпрыгивает. О, это было восхитительно. Но я почти безоговорочно за Бора против Эйнштейна. Он ведет себя против Бора точно так же, как вели себя защитники абсолютной одновременности против него».

Пожалуй, никто, кроме Эренфеста, не осмелился бы публично сравнить Эйнштейна с Филиппом Ленардом и его приспешниками, которые устраивали травлю создателю теории относительности. А Эренфест посмел. В отеле, в присутствии почти всех участников конгресса, он громко обратился к своему берлинскому другу: «Эйнштейн, мне стыдно за тебя. Ты ведешь себя по отношению к квантовой теории точно так же, как вели себя противники теории относительности в их тщетных попытках опровергнуть твою теорию».

На этом можно было бы закончить рассказ о Пятом Сольвеевском конгрессе, на котором новая квантовая теория и ее копенгагенская интерпретация выдержали жесткую критику Альберта Эйнштейна. Квантовая механика доказала свою непротиворечивость. Научный мир принял ее в качестве надежно обоснованной теории, описывающей явления микромира.

Из великих физиков, пожалуй, единственным, кого не до конца удовлетворяла новая наука, был Эйнштейн. Его представление о науке, изучающей окружающий мир, противилось отказу от детерминизма, ученый с его верой в познаваемость мира не мог смириться с невозможностью точно описать поведение системы в будущем, даже зная ее исходное состояние. Поэтому он снова и снова возвращался к принципу неопределенности Гейзенберга, желая его опровергнуть. Вот почему споры Эйнштейна и Бора о сути копенгагенской интерпретации квантовой механики продолжились в кулуарах Шестого Сольвеевского конгресса физиков в 1930 году. Это лишний раз говорит о важности обсуждаемой тематики для обоих корифеев науки.

Источник информации  https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435132/Albert_Eynshteyn_i_kvantovaya_mekhanika