Проблема кота

Эрвин Шрёдингер, который, собственно, и ввел волновое уравнение, •
считал, что все это зашло слишком далеко. Он признался Бору, что ]
сожалеет о том, что вообще ввел понятие волны, раз за ним в физику
проник концепт вероятности.

Чтобы уничтожить идею вероятностей, он предложил следующий
эксперимент. Представьте, что в ящике сидит кот. Внутри также нахо-
дится бутылка с ядовитым газом, соединенная с молотом, который, в
свою очередь, соединен со счетчиком Гейгера, помещенным рядом
с куском урана. Никто не станет оспаривать тот факт, что радиоак-
тивный распад атома урана — чисто квантовое событие, которое не
может быть предсказано наперед. Пусть существует 50-процентная
вероятность того, что распад начнется в следующую секунду. Но если
начнется распад атома урана, то запустится счетчик Гейгера, который
освободит молот, который разобьет бутылку, что станет причиной
смерти кота. До того как вы откроете коробку, нельзя сказать, жив кот
или мертв. В сущности, для того, чтобы описать кота, физики добав-
ляют волновую функцию к мертвому коту и живому коту — то есть
мы помещаем кота в жуткое состояние, где он на 50 % жив и на 50 %
мертв одновременно.

Теперь откроем коробку. Как только мы взглянем внутрь, совер-
шится акт наблюдения, произойдет коллапс волновой функции и мы
увидим, что кот, к примеру, жив. Шрёдингеру все это казалось глупос-
тью. Как может быть кот жив и мертв одновременно только потому,
что мы на него не смотрим? Он начинает внезапно существовать,
как только мы взглянем на него? Эйнштейну тоже не нравилась такая
интерпретация. Когда к нему домой приходили гости, он говорил:
посмотрите на луну. Неужели она внезапно начинает существовать,
когда на нее взглянет мышь? Эйнштейн считал, что ответ на этот во-
прос может быть только отрицательный. Но в каком-то смысле ответ
мог быть и утвердительным.

История эта достигла апогея в историческом столкновении
Эйнштейна и Бора на Сольвеевском конгрессе в 1930 году. Позднее
Уилер заметит, что это был величайший известный ему спор в
истории мысли. Он скажет, что за тридцать лет он никогда не слы-
шал спора двух более великих людей по более глубокому вопросу,

который имел бы более серьезные последствия для понимания
Вселенной.

Эйнштейн, неизменно отважный, дерзкий и в высшей степени
красноречивый, предложил ряд «мысленных экспериментов», на-
правленных на разрушение квантовой теории. Бор, беспрерывно
бормотавший, после каждой атаки понемногу сдавал свои позиции.
Физик Поль Эренфест заметил: «Замечательно, что я был свидете-
лем диалогов между Бором и Эйнштейном, будто шахматист, стал-
кивающийся все с новыми и новыми ситуациями. Как некий вечный
двигатель, намеренный прорвать завесу неопределенности, Бор
все время выискивал в облаке философии средства опровергнуть
примеры один за другим. Эйнштейн был каждое утро свеж, будто
чертик, выскакивающий из коробочки. О, это было прекрасно. Но я
практически безоговорочно за Бора и против Эйнштейна. Сегодня
он ведет себя по отношению к Бору точно так же, как чемпионы
абсолютной одновременности вели себя по отношению к нему са-
мому».

Наконец Эйнштейн предложил эксперимент, который, по его
мнению, должен был нанести завершающий удар по квантовой те-
ории. Представьте, что в коробочке содержатся фотоны в виде газа.
Если в коробке есть затвор-диафрагма, то оттуда может вылететь
один фотон. Раз можно точно измерить скорость затвора, а также
энергию фотона, то таким образом можно определить состояние
фотона с бесконечной точностью, что противоречит принципу не-
определенности.

Эренфест писал: «Для Бора это оказалось тяжким ударом. На тот
момент он не видел решения. Он был очень расстроен весь вечер,
ходил от одного к другому, пытаясь убедить всех, что это не может
быть правдой, потому что если Эйнштейн прав, то это ознаменовало
бы конец физики как таковой. Но он никак не мог придумать опро-
вержение. Я никогда не забуду зрелище, которое являли собой два
оппонента, покидая университетский клуб. Эйнштейн, величествен-
ная фигура, спокойно шагал с легкой иронической улыбкой, а Бор
семенил рядом с ним, чрезвычайно расстроенный».

Когда несколько позже Эренфест встретил Бора, тот был неразго-
ворчив; он только снова и снова повторял одно слово: «Эйнштейн...
Эйнштейн... Эйнштейн».

На следующий день, после напряженной бессонной ночи, Бор
смог найти крошечный изъян в аргументах Эйнштейна. После испу-
скания фотона коробка становилась чуть легче, поскольку вещество
и энергия были эквивалентны. Это означало, что коробка чуть полни»
малась под действием силы гравитации, поскольку, согласно теории
гравитации самого Эйнштейна, энергия также обладала весом. Если
вычислить неопределенность в весе и неопределенность в скорости
затвора, то обнаруживалось, что коробка в точности повиновалась
принципу неопределенности. По сути, Бор воспользовался теорией
гравитации Эйнштейна, чтобы аргументы Эйнштейна же опроверг-,
нуть! Бор победил, Эйнштейн потерпел поражение.

Говорят, что, когда позднее Эйнштейн пожаловался, что «Бог
не играет в црстн с миром», Бор ему ответил: «Не нам указывать
Богу, что Ему делать». В конечном счете Эйнштейн признал, что Бор
успешно опроверг его аргументы. Эйнштейн написал: «Я убежден,
что в этой теории, несомненно, содержится зерно истины». (Однако
Эйнштейн с пренебрежением относился к физикам, которые были
не в состоянии оценить тонкие парадоксы, присущие квантовой тео-
рии. Однажды он написал: «Конечно, сегодня каждый плут считает,
что знает ответ, но он обманывает сам себя».)

После этого спора, а также других споров с квантовыми физиками
Эйнштейн в конце концов сдался, но он избрал другой подход. Он
признал, что квантовая теория верна, но лишь в определенной об-
ласти, только в качестве приближенности к истине. Он хотел, чтобы
квантовая теория оказалась поглощена более общей и сильной те-
орией — теорией поля, подобно тому как теория относительности
обобщала (но не уничтожала) теорию Ньютона.

(Однако этот спор между Эйнштейном и Шрёдингером с одной
стороны и Бором и Гейзенбергом с другой нельзя так просто сбра-
сывать со счетов, поскольку все эти «мысленные эксперименты»
теперь осуществимы в лабораториях. Хотя ученые не могут добиться
того, чтобы кот был одновременно жив и мертв, они могут управлять
отдельными атомами при помощи нанотехнологий. Недавно эти
сложнейшие эксперименты были проведены с наночастицей С60,
известной как бакибол (Buckyball), содержащей 60 атомов углерода,
а потому воздвигнутая Бором «стена», разделяющая большие объ-
екты и квантовые, стремительно разрушается. Физики-эксперимен-

таторы сейчас размышляют над тем, что потребовалось бы для. того,
чтобы показать, что вирус, состоящий из тысяч атомов, может нахо-
диться в двух местах одновременно.)

Бомба

Самым неудачным образом все рассуждения по поводу этих занима-
тельных парадоксов были прерваны выдвижением Гитлера в канцле-
ры в 1933 году и лихорадочной гонкой по созданию первой атомной
бомбы. В течение многих лет было известно (из знаменитого уравне-
ния Эйнштейна Е = mc²), что атом является закрытым хранилищем
огромных количеств энергии. Но большинство физиков несерьезно
относились к мысли об использовании этой энергии. Даже Эрнст
Резерфорд, человек, открывший ядро атома, сказал: «Энергия, осво-
бождаемая при разбивании ядра атома, очень незначительна. Любой,
кто рассчитывает найти источник энергии в трансформации атомов,
несет вздор».

В 1939 году Бор предпринял судьбоносную поездку в Соединен-
ные Штаты, приземлившись в Нью-Йорке для встречи со своим
учеником Джоном Уилером. Бор вез зловещие новости: Отто Хан и
Лиз Майтнер доказали, что атом урана можно разбить надвое; в этом
процессе, называемом расщеплением атома, освобождалась энергия.
Бор и Уилер начали разрабатывать квантовую динамику ядерного де-
ления. Поскольку все в квантовой теории основано на вероятности и
случайности, они вычислили вероятность того, что нейтрон расщепит
ядро урана, освободив тем самым два или более нейтронов, которые,
в свою очередь, расщепят еще большее количество ядер атомов урана,
в результате чего освободится еще больше нейтронов, и так далее,
что запустит цепную реакцию, способную разрушить целый город.
(В квантовой механике никогда не знаешь, расщепит ли отдельный
конкретный нейтрон атом урана, но можно с невероятной точностью
вычислить вероятность того, что миллиарды атомов урана расщепят-
ся в бомбе. В этом и состоит сила квантовой механики.)

Их квантовые расчеты показали, что существование атомной
бомбы вполне возможно. Два месяца спустя Бор, Юджин Вигнер,
Лео Сцилард и Уилер встретились в старом кабинете Эйнштейна в
Принстоне, чтобы обсудить перспективы создания атомной бомбы.

Бор считал, что для создания бомбы понадобятся ресурсы всей на»
ции. (Несколько лет спустя Сцилард убедит Эйнштейна написать^:
судьбоносное письмо Президенту Франклину Рузвельту, где настоя-
тельно рекомендовалось сконструировать атомную бомбу)

В том же году нацисты, узнав о том, что огромное количество
энергии, испускаемое атомом урана, может дать им непобедимое
оружие, велели ученику Бора Гейзенбергу создать атомную бомбу
для Гитлера. Неожиданно все разговоры о квантовых вероятностях
распада стали в высшей степени серьезными: на карту была постав-
лена судьба всего человечества. На смену спорам о вероятности об-
наружения живых котов пришли споры о вероятности расщепления
урана.

В 1941 году, когда нацисты держали под контролем большую часть
Европы, Гейзенберг тайно навестил своего старого преподавателя
Бора в Копенгагене. До сих пор завеса тайны покрывает то, в каком
ключе проходила их беседа; об этом написаны отмеченные награ-
дами пьесы, а историки до сих пор спорят о содержании встречи.
Предлагал ли Гейзенберг саботировать создание германской атом-
ной бомбы? Или, наоборот, он пытался завербовать Бора для работы
по созданию атомной бомбы для нацистов? В 2002 году, шесть деся-
тилетий спустя, завеса тайны над намерениями Гейзенберга была ча-
стично приподнята, когда родные Бора опубликовали письмо Бора,
написанное Гейзенбергу уже в 50-е годы, но так и не отправленное.
В письме Бор вспоминал, что на той встрече Гейзенберг назвал по-
беду нацистов неизбежной. Поскольку остановить непробиваемую
машину нацизма нельзя, то было бы только логично, если бы Бор
работал на нацистов.

Бор был потрясен и шокирован до глубины души. Дрожа от не-
годования, он отказался отдать свою работу над квантовой теорией
в руки нацистов. Поскольку Дания находилась под контролем наци-
стов, Бор спланировал тайный побег на самолете, во время которого
он чуть не задохнулся из-за нехватки кислорода.

А тем временем в Колумбийском университете Энрико Ферми
доказал, что ядерная цепная реакция осуществима. Придя к этому
выводу, он окинул взглядом Нью-Йорк и осознал, что одна-един-
ственная бомба может полностью уничтожить знаменитый город.
Когда Уилер увидел, как высоко поднялись ставки, он добровольно

оставил Принстон и присоединился к Ферми в лаборатории под
университетским стадионом Стэгг-Филд в Чикаго, где они вместе
создали первый ядерный реактор, тем самым ознаменовав официаль-
ное начало ядерной эпохи.

На протяжении последовавших десяти лет Уилеру выпало стать
свидетелем самых важных событий в ходе атомной войны. Во время
войны он помогал контролировать строительство исполинского
ядерного центра в Хэнфорде (штат Вашингтон), где вырабатывался
сырой плутоний, необходимый для создания бомб, которые затем
уничтожили Нагасаки. Еще через несколько лет он работал над соз-
данием водородной бомбы и в 1952 году стал свидетелем первого
ее взрыва, а также разрушений, вызванных сбросом кусочка Солнца
на небольшой островок в Тихом океане. Однако, более десяти лет
пробыв на первых страницах истории, в конце концов Уилер все же
вернулся к своей первой любви — загадкам квантовой теории.

Date: 2015-06-06; view: 395; Нарушение авторских прав