Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания - Пол Хэлперн

Пол ХЭЛПЕРН

ИГРАЮТ ЛИ КОТЫ В КОСТИ?

Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания

Я бы хотел поблагодарить за огромную поддержку мою семью, друзей и коллег, которые помогли мне довести этот проект до конца. Я благодарю преподавателей и сотрудников из Филадельфийского университета наук, в том числе Хелен Джайлс-Джи, Хайди Андерсон, Сьюзан Мерфи, Элиа Эшкенази, Кевина Мерфи, Брайана Киршнера, Джима Каммингса и своих коллег по факультету математики, физики и статистики и факультету гуманитарных наук за поддержку моих изысканий. Я благодарен сообществу историков науки за дух товарищества, в том числе APS Forum по истории физики, Филадельфийскому центру истории науки и АIР-центру истории физики. Я высоко ценю теплую поддержку Филадельфийской ассоциации ученых-писателей, в том числе Грега Лестера, Михала Майера, Фэй Флам, Дэйва Голдберга, Марка Вулвертона, Брайана Сиано и Нила Гуссмана. Благодарю историков науки Дэвида С. Кэссиди, Диану Бухвальд, Тильмана Зауэра, Дэниела Сигела, Кэтрин Вестфаль, Роберта Криза и Питера Пешича за полезные советы и Дона Говарда за предложенные полезные ссылки. Я высоко ценю помощь семьи Шрёдингера, в том числе Леонарда, Лрнульфа и Рут Брауницер, за обсуждение вопросов о его жизни и творчестве. Я благодарен музыканту Роланду Орзабалу и философу Хилари Патнэм за любезные ответы на вопросы о своей работе. Благодарю автора научно-популярных книг Майкла Гросса за дружеские советы и информацию о немецком языке и культуре. Я ценю поддержку Давида Цитарелли, Роберта Янцена, Линды Дэлримпл Хендерсон, Роджера Стьюэра, Лизы Тензин-Долма, Джен Гови, Шерил Стрингалл, Тони Лоу, Майкла Лабозира, Питера Д. Смита, Энтони Райана, Дэвида Буда, Михаила Эрлиха, Фреда Шупфера, Пэм Квик, Кэролин Бродбек, Марлона Фуэнтеса, Симоны Целич, Дата Бухгольца, Линды Гольцман, Марка Сингера, Джеффа Шебена, Джуд Кучински, Криса Олсона, Мэга и Вуди Чарски-Уилсон, Кэри Нгуен, Линдси Пул, Грега Смита, Джозефа Магуайра, Дата Дикарло, Патрика Фама и Вэнса Лемкуль. Я выражаю искреннюю признательность Ронану и Джо Мехиган за фотографии домов Шрёдингера в Дублине. Благодарю Отдел рукописей библиотеки Принстонского университета за разрешение на внимательное изучение копий архива Лльберта Эйнштейна и других научных материалов, а также библиотеку Американского философского общества за доступ в архив истории квантовой физики. Большое спасибо Барбаре Вульф и Архиву Альберта Эйнштейна в Иерусалиме за рецензию моих цитат из переписки Эйнштейна и Шрёдингера. Благодарю Королевскую ирландскую академию за сведения об их заседаниях. Я благодарю Фонд Джона Саймона Гуггенхайма за мероприятие 2002 года, во время которого я впервые ознакомился с перепиской Эйнштейна и Шрёдингера.

Отдельное спасибо моей жене Фелиции; моим сыновьям Эли и Адену; моим родителям Бернис и Стэнли Хэлперн; родным: Лрлин и Джозефу Финстон; Ричарду, Аните, Джейку, Эмили, Алану, Бету, Тессе и Кену Хэлперн; Аарону Стенброу; Лэйн и Джил Хурвитц; Шаре Эванс и другим членам семьи за их любовь, терпение, советы и поддержку.

ВВЕДЕНИЕ

Союзники и противники

Эта книга рассказывает о двух великих физиках, о «газетной» войне 1947 года, разрушившей их многолетнюю дружбу, а также о хрупкой природе сотрудничества и открытий в науке.

Когда мировая пресса объявила их соперниками, оба уже были нобелевскими лауреатами преклонного возраста, а главные работы давно остались за плечами. Однако газетчики преподносили совсем другую историю — якобы о противостоянии опытного бойца, который никогда не сдается, и выскочки, которому не терпится победить другого и получить приз. В то время Эйнштейн был невероятно популярен, каждое его слово тут же подхватывалось журналистами, и лишь очень ограниченный круг людей был знаком с работами австрийского физика Эрвина Шрёдингера.

Те, кто следил за достижениями Эйнштейна, знали, что он уже несколько десятилетий работал над единой теорией поля. Он надеялся продолжить труд, начатый Джеймсом Клерком Максвеллом, английским физиком XIX века, по объединению всех сил природы в единой системе уравнений. Максвелл объединил электричество и магнетизм, введя в науку новый объект — электромагнитное поле, что привело к открытию такого явления, как электромагнитные волны. Общая теория относительности, предложенная Эйнштейном, описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Подтверждение этой теории принесло ему всемирную славу. Однако Эйнштейн не собирался останавливаться на достигнутом. Его мечтой было включить результаты Максвелла в расширенную теорию относительности, объединив таким образом электромагнетизм и гравитацию.

Раз в несколько лет Эйнштейн торжественно объявлял о создании очередной единой теории, которая через какое-то время оказывалась неверной и потихоньку заменялась на новую. Начиная с 1920-х годов одной из главных его целей стал поиск детерминистической альтернативы вероятностной интерпретации квантовой теории, отстаиваемой копенгагенской школой: Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и другими учеными. Понимая, что эксперименты подтверждают верность квантовой теории, он, тем не менее, считал ее неполной. В глубине души Эйнштейн верил, что «Бог не играет в кости», как он сам однажды сказал, ставя вопрос о том, каким, на его взгляд, должно быть идеальное механистическое мироздание. Под «Богом» он подразумевал то же, что и голландский философ XVII века Бенедикт Спиноза, — проявление высшего естественного порядка. Спиноза считал, что Бог — это синоним Природы, он вечен и неизменен и не оставляет места случайности. Эйнштейн, соглашаясь со Спинозой, искал неизменные законы, управляющие механизмами природы. Он твердо намеревался доказать, что мир абсолютно детерминистичен.

Шрёдингер, эмигрировавший в 1940-х годах из оккупированной Австрии в Ирландию, как и Эйнштейн, не признавал общепринятую в то время интерпретацию квантовой механики и видел в Эйнштейне союзника. Эйнштейн также почувствовал в Шрёдингере родственную душу. После обмена идеями об объединении сил природы Шрёдингер неожиданно объявил о достигнутом им успехе, чем привлек к себе всеобщий интерес. В результате между ним и Эйнштейном произошел раскол.

Вы наверняка слышали о коте Шрёдингера — мысленном эксперименте, благодаря которому общественность так хорошо знает его автора. Но в то время, когда все случилось, об этом кошачьем парадоксе и его авторе знали только физики. Пресса представляла Шрёдингера просто амбициозным ученым, живущим в Дублине, который, возможно, превзошел самого Эйнштейна и нанес тому сокрушительный удар под дых.

Основным поставщиком информации была газета Irish Press, из которой общественность и узнала о головоломке Шрёдингера. Шрёдингер прислал в газету увесистый пресс-релиз с описанием своей новой «теории всего», в котором нескромно ставил свои открытия на один уровень с достижениями древнегреческого философа Демокрита (автора термина «атом»), древнеримского поэта Лукреция, французского философа Декарта, Спинозы и даже самого Эйнштейна. «Ученому не пристало рекламировать собственные достижения, — заявил газетчикам Шрёдингер, — но раз того хочет пресса, я предоставлю ей необходимые материалы»{1}.

New York Times преподнесла эту новость как конфликт между бунтарским оригинальным методом и стагнацией во влиятельных физических кругах. «Нам неизвестно, как Шрёдингеру это удалось», — говорилось в статье{2}.

На какой-то момент показалось, что практически никому не известному венскому физику удалось превзойти великого Эйнштейна и создать теорию, объясняющую все во Вселенной. «Возможно, — думали оторопевшие читатели, — настало время познакомиться со Шрёдингером поближе».

Страшная загадка

Сегодня при упоминании имени Шрёдингера в памяти сразу всплывают кот, ящик и парадокс. Его знаменитый мысленный эксперимент, опубликованный в 1935 году в рамках работы «Текущая ситуация в квантовой механике», представляется одним из самых жестоких в истории науки. Впервые услышав о нем, люди сначала ужасаются и тут же испытывают громадное облегчение, узнавая, что эксперимент — гипотетический и никогда не проводился на живом коте.

Шрёдингер предложил этот мысленный эксперимент в 1935 году в работе, посвященной исследованию феномена квантовой запутанности в физике. Квантовая запутанность (термин, введенный Шрёдингером) — это ситуация, когда две или несколько частиц описываются одним квантовым состоянием, то есть если что-то происходит с одной из частиц, это одновременно затрагивает и все остальные частицы.

Частично вдохновленная диалогом с Эйнштейном, загадка кота Шрёдингера проверяет на прочность принципы квантовой физики, предлагая нам представить судьбу кота, состояние которого запутано с состоянием частицы. Кот заперт в ящике, в котором находятся атом радиоактивного вещества, счетчик Гейгера и герметичный сосуд с ядом. Ящик закрыт на такой интервал времени, по истечении которого атом с вероятностью 50% может распасться с испусканием частицы. Аппарат сконструирован таким образом, что если счетчик Гейгера зарегистрирует порожденную в результате распада частицу, то сосуд с ядом разобьется и кот погибнет. Однако если распада не произойдет, то кот не пострадает.