«Казка про фізику Вернера Гейзенберга, який нічого не знав напевно»

Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і життя» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012, № 8, 2012, № 9, 2012, № 12, 2012, № 2014, № 1, 2013, № 11 №, №

«Космічні сищики» — нова книга письменника, доктора фізико-математичних наук Миколи Миколайовича Горькавого. Її герої знайомі читачам з науково-фантастичної трилогії «Астровітянка» і наукових казок, опублікованих в журналі в 2010-2014 рр.; у № № 1, 4-7, 9, 2015 р.; у № № 1, 2, 3, 2016 р.

Вернер Карл Гейзенберг. 1933 рік. Фото: German Federal Archives/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

— Вечірні гори засмучувалися прохолодним туманом, зеленими пологими пасовищами бродили корови, звягуючи шийними дзвіночками і похрустуючи свіжою травою. На лугу висилися стога сіна, заготовлені на зиму. В одному зі стогів лежав світловолосий підліток і читав книгу німецького філософа Іммануїла Канта. Десь далеко стріляли гармати і рвалися снаряди, а хлопчик читав про зірки, про процеси пізнання, роздумував над проблемами буття, моральності та етики. Він не знав, що чекає попереду його самого, його країну і весь світ. Не знав, що Перша світова війна скоро скінчиться і що вона буде далеко не останньою; що в найближчі десятиліття світ зміниться до невпізнання, в тому числі і завдяки тому, що хлопчик на ім’я Вернер Гейзенберг лежить на лугу і читає Канта для власного задоволення. Це був особливий хлопчик, не схожий на інших.

— З цього і треба було почати, — зауважила Галатея.

— Що ж, з цього і почнемо, — відповіла принцеса Дзінтара, і її діти, Галатея і Андрій, приготувалися слухати чергову вечірню казку.

— Отже, на початку ХХ століття жив-був у Німеччині хлопчик… Його батько, Август Гейзенберг, займався найтиповішим заняттям, яке тільки можна уявити: вивчав давні візантійські рукописи, написані давньогрецькою мовою. Він їздив до Італії та Греції для їх дослідження і викладав історію студентам у Мюнхенському університеті. У нього було два сини: Ервін, який став хіміком, і Вернер. І треба ж було такому статися, щоб у сім’ї людини, яка найбільше цінувала класичні уявлення про світ, виріс бунтар, який відкинув існуючі погляди на час і простір і запропонував нові підходи до їх розуміння.

— Як же це вийшло? — запитав Андрій.

— Ще будучи школярем, Вернер під час довгої хвороби прочитав книгу Германа Вейля «Простір. Час. Матерія «, і його вразила міць описаних у ній математичних методів. З цього моменту Гейзенберг захопився математикою. Видатні знання молодої людини відзначили на випускному іспиті в гімназії.

Юність Вернера припала на бурхливий революційний період в історії Німеччини. Навесні 1918 року його разом з іншими 16-річними школярами відправили працювати на ферму — допомагати воюючій Німеччині. Гейзенберг був не схожий на своїх однолітків. Вечорами він поспішав усамітнитися і з захопленням читав філософські праці Платона і Канта.

Після Першої світової війни в Німеччині настав період політичної нестабільності, громадського бродіння і протестних виступів. Вернер відвідував збори молодіжного руху, де слухав гарячі виступи проти суспільних традицій і забобонів. Але навіть тоді головний інтерес для нього представляли не політика і філософія, найбільше його захоплювали фізика і математика.

Мюнхенський університет, альма-матер Вернера Гейзенберга. Фото: Diago Delso/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

У 1920 році Гейзенберг вступив до Мюнхенського університету, став учнем професора Арнольда Зоммерфельда і поринув у світ теоретичної фізики. Через три роки він підготував дисертацію з теоретичної гідродинаміки, але не врахував, що для отримання наукового ступеня необхідно скласти усний іспит і з експериментальної фізики. Вернер не зміг відповісти на питання допитливого професора Вільгельма Віна і мало не провалився. Тільки заступництво Арнольда Зоммерфельда врятувало дисертанта від повного провалу.

Ліворуч: професор Арнольд Зоммерфельд. 1935 рік. Фото: GFHund/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0. Праворуч: Макс Борн. Фото: Wikimedia Commons/PD

Отримавши ступінь, Гейзенберг зайнявся новою квантовою фізикою. Разом з Вольфгангом Паулі він став асистентом Макса Борна — директора фізичного інституту Геттінгенського університету. Борн писав про Гейзенберга: «Він був схожий на простого селянського хлопця, з коротким світлим волоссям, ясними живими очима і чарівним виразом обличчя. Він виконував свої обов’язки асистента більш серйозно, ніж Паулі, і надавав мені більшу допомогу. Його незбагненна швидкість і гострота розуміння завжди дозволяли йому проробляти колосальну кількість роботи без особливих зусиль «.

Местечко Зюдельфельд в Південній Баварії, де професор А. Зоммерфельд здійснював лижні прогулянки зі своїми учнями. Фото: LepoRello/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

Гейзенберг попрацював і у Нільса Бора (див. «Наука і життя» № 1, 2016 р., «Казка про суперсичика Нільса Боре, який розшукав зв’язок між атомом Резерфорда, лініями Фраунгофера і кривою Планка»). Вони познайомилися 1922 року під час так званого Борівського фестивалю. Гейзенберг розмовляв зі знаменитим данцем, і ця розмова багато в чому вплинула на його погляди і підходи до вирішення наукових проблем. «У Зоммерфельда я навчився оптимізму, у геттінгенців — математики, а у Бора — фізики», — писав він.

Нільс Бор (справа) і Вернер Гейзенберг. Фото: Fermilab, U.S. Departament of Energy/Wikimedia Commons/PD

У 1925 році, у віці 23 років, Вернер створив нову квантову механіку на основі математичних матриць. Вона була незалежна від класичної фізики і стала віхою в квантовій науковій революції.

— А що таке матриці?

— Матрицями називають прямокутні таблиці чисел. Гейзенберг припустив, що будь-якій фізичній величині, яку можна спостерігати в експерименті, відповідає своя матриця. Він зумів описати квантові стрибки в атомі Бора і будь-які зміни в стані кванто-механічних систем за допомогою математичних операцій над матрицями. Через півтора року Гейзенберг вивів квантове співвідношення невизначеностей, що стало знаковим для сучасної науки. Співвідношення свідчило, що наш світ принципово не точний: ми не можемо знати одночасно з хорошою точністю імпульс і положення будь-якого об’єкта, наприклад електрону. Якщо ми точно виміряємо імпульс електрона, то втратимо інформацію про його положення, а якщо точно виміряємо його координати, то втратимо можливість визначити імпульс або швидкість.

Марка ФРН із зображенням Вернера Гейзенберга і його знаменитого співвідношення невизначеностей. Фото: Wikimedia Commons/PD

— Отже, вчені нічого не можуть знати напевно? — вразилася Галатея. — Як би вони не старалися, в їх вимірах завжди будуть помилки?

— На жаль, це так. Невизначеність у координатах електрона, помножена на помилку в його імпульсі, дорівнює постійній Планка (див. «Наука і життя» № 7, 2015 р., «Казка про Макса Планку, який у світлі електролампи знайшов свою постійну»), — і це співвідношення невизначеностей Гейзенберга чудово доповнило концепцію де Бройля (див. «Наука і життя» № 2, 2016 р., «Казка про герцога де Бройла, який відкрив найдивніші хвилі у світі») про частинки як про хвилі. Якщо ми спробуємо захопити частинку в хитру пастку, тобто точно зафіксуємо її місце розташування, помилка у визначенні імпульсу частинки стане нескінченно великою.

— Інформація йде крізь пальці як хвиля, — посміхнулася Галатея.

— Дуже схоже, — втрутився Андрій, — що Галатея теж підкоряється цьому співвідношенню невизначеностей: її ніколи не буває в потрібному місці в потрібний час!

Дзінтара посміхнулася, дивлячись на обурену дочку, і продовжила:

— Співвідношення невизначеностей Гейзенберга трактують і так: для вимірювання параметрів квантової системи потрібне інструментальне втручання, і це втручання настільки сильно спотворює її характеристики, що система «забуває» свій початковий стан, і ми втрачаємо можливість дізнатися, яким воно було.

Галатея, вдаючи, що не помічає брата, звернулася до матері:

Мама, судячи з історій, які ти нам розповіла, теоретики роблять відкриття в дуже молодому віці. Але ж з роками досвід і знання зростають і відкриттів має бути більше.

Давно помічено, що найплідніший вік для теоретичних відкриттів — перші кілька років після закінчення університету, адже важливі не тільки досвід і знання, а й свіжий погляд і сміливість молодості. У літньому віці вчений насилу погоджується з нехтуванням істин, з якими він довго жив.

Молодий професор Вернер Гейзенберг. 1927 рік. Фото: Wikimedia Commons/PD

Успіхи Вернера Гейзенберга не залишилися непоміченими. Університети навперебій запрошували його зайняти професорську посаду. У віці 25 років Вернер став професором теоретичної фізики в Лейпцизькому університеті.

— Тепер його ніхто не міг дорікнути в незнанні фізики! — задоволено зазначила Галатея.

— Всі, хто з ним працював, згадували, що Гейзенберг був демократичною і веселою людиною. Після наукових занять він, наприклад, з азартом грав у настільний теніс. Біографи — його учні Невілл Мотт, лауреат Нобелівської премії з фізики за 1977 рік, і Рудольф Паєрлс — у книзі, присвяченій великому науковцю, писали про той період життя Гейзенберга, коли він створив квантову механіку і став молодим професором: «Ніхто не засудив би його, якби він почав сприймати себе серйозно і став злегка напищеним після того, як зробив принаймні два вирішальних кроки, що змінили особу фізики, і після отримання в такому юному віці статусу професора, що змушувало і багатьох більш старих і менш значних людей відчувати себе важливими, але він залишився таким, яким і був, — неофіційним і веселим в обігу, майже хлопчиським і таким, що володіє скромністю, що межує з сором’язливістю «.

Нобелівську премію з фізики «За створення квантової механіки» Гейзенберг отримав у неповних 32 роки. Він, безумовно, був радий, але, будучи скромним і справедливим, висловив здивування, що його колеги по створенню квантової механіки Ервін Шрьодінгер і Поль Дірак отримали одну Нобелівську премію на двох, а Макс Борн взагалі нею обійдений.

— Гейзенберг так багато працював, але чи була у нього дівчина чи сім’я? — запитала Галатея. — Чи він займався однією наукою?

— У 35 років Вернер одружився з Елізабет Шумахер, дочкою берлінського професора-економіста. Вони жили довго і щасливо і мали сімох дітей. Дочки Гейзенберга Анна-Марія і Верена стали фізіологами, син Мартін — генетиком, а Йохен пішов по стопах батька, він був фізиком-ядерником.

Гейзенберг помер 1976 року. Юджин Вігнер, лауреат Нобелівської премії з фізики за 1963 рік, написав тоді: «Немає такого фізика-теоретика, який зробив більший внесок у нашу науку, ніж він. Водночас він був доброзичливий з усіма, позбавлений зарозумілості і складав приємну компанію «. А його перший учень Фелікс Блох, який став лауреатом Нобелівської премії з фізики в 1952 році, згадував: «Якщо я повинен вибрати єдину з його великих якостей як вчителя, то це було б його надзвичайно позитивне ставлення до будь-якого прогресу… Однією з найбільш дивовижних особливостей Гейзенберга була майже безпомилкова інтуїція, яку він виявляв у своєму підході до фізичної проблеми, і феноменальний спосіб, за допомогою якого рішення ніби падали з неба «.

Вернер Карл Гейзенберг (1901-1976) — німецький фізик-теоретик, один із засновників квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1932 року.

Герман Вейль (1885-1955) — німецький математик і фізик-теоретик. Автор знаменитої книги «Простір. Час. Матерія «- одного з перших викладів загальної теорії відносності Ейнштейна.

Арнольд Йоганнес Вільгельм Зоммерфельд (1868-1951) — німецький фізик-теоретик і математик. Вчитель і науковий керівник Вернера Гейзенберга.

Макс Борн (1882-1970) — німецький і британський фізик-теоретик, один з творців квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1954 року.

Фелікс Блох (1905-1983) — швейцарський фізик, учень Вернера Гейзенберга. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1952 року.

Невілл Франсіс Мотт (1905-1996) — англійський фізик. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1977 року, яку він отримав разом з Філіпом Андерсоном і Джоном ван Флеком.