Неопределенность Гейзенберга: как квантовая механика поставила под сомнение саму реальность

В 1926 году в Институте теоретической физики в Копенгагене, основанном 10 лет назад датским физиком Нильсом Бором, нарастала напряжённость. Институт, созданный для развития новой теории атомов, стал местом ожесточённых споров между учёными. В 1925 году один из протеже Бора, талантливый и амбициозный немецкий физик Вернер Гейзенберг, предложил такую теорию, однако её интерпретация вызвала горячие дискуссии о самой природе физической реальности.

В начале XX века Бору удалось потрясти научное сообщество своей смелой теорией строения атомов, основанной на идее, предложенной немецким физиком Максом Планком в 1900 году. Согласно теории Бора, электроны, вращающиеся вокруг плотного центрального ядра атома, могут занимать строго определённые орбиты и переходить между ними, испуская или поглощая свет в виде дискретных порций энергии, называемых квантами. За эту теорию Бору в 1922 году присудили Нобелевскую премию, но она представляла собой смесь традиционной физики и новой квантовой гипотезы Планка. Бор стремился создать более глубокое объяснение, основанное на новой механике квантов, которая могла бы объяснить необычное поведение атомов.

В 1925 году Гейзенберг разработал квантовую механику, находясь на острове Гельголанд в Северном море, где он пытался справиться с сильной аллергией. Гейзенберг предложил радикальную идею, заключавшуюся в использовании экспериментально измеренных чисел для частот света, испускаемого атомами, в виде матриц, что позволило бы проводить расчёты, например, для предсказания интенсивности излучаемых лучей. Эта матричная квантовая механика выглядела как прорыв, которого ждал Бор. Однако она не давала никакого представления о том, что означают эти математические результаты для реального мира.

К 1926 году ситуация стала ещё более запутанной. В Копенгагене Бор, Гейзенберг и их коллеги, включая австрийского физика Вольфганга Паули и бывшего наставника Гейзенберга Макса Борна, не соглашались с такими учёными, как Альберт Эйнштейн и австрийский физик Эрвин Шрёдингер, о том, как интерпретировать новую квантовую механику. В начале того же года Шрёдингер предложил альтернативную квантовую механику, основанную на волновой теории, которая, казалось, возвращала физическую картину происходящего. Однако Гейзенберг отверг эту теорию, а Шрёдингер, в свою очередь, выразил своё отвращение к квантовым скачкам, предполагаемым матричной механикой Гейзенберга.

Вскоре даже внутри Копенгагенской группы начались разногласия. Бор был склонен принять волны Шрёдингера и сделать концепцию «дополнительности» ключевым элементом квантовой механики, тогда как Гейзенберг хотел придерживаться только математики. Их споры были настолько напряжёнными, что почти довели Гейзенберга до слёз.

Весной 1927 года, когда Бор отправился на лыжный курорт в Норвегию, Гейзенберг написал статью, в которой попытался объяснить, что его матричная механика означает для квантовых объектов. Он заключил, что некоторые пары свойств квантовых частиц невозможно измерить одновременно с желаемой точностью: если одно из них измеряется точнее, другое становится менее определённым. Это привело к формулировке «принципа неопределённости», который утверждал, что в природе существует фундаментальная неопределённость.

Гейзенберг подал свою статью в печать, пока Бор был на лыжах, но после возвращения Бора он обнаружил, что тот считает статью ошибочной. Гейзенберг согласился добавить примечание, признающее мнение Бора о дополнительности волн и частиц, подчёркивая, что их дружба важнее физики.

Суть квантовой механики вызвала вызов основам всей научной деятельности. Гейзенберг утверждал, что факты о мире определяются только в момент их измерения. Например, если измерить скорость электрона, то его положение останется неопределённым, и наоборот. Такой подход вызвал отторжение у Эйнштейна, который не мог принять, что нельзя определить все необходимые факты для полного описания физического процесса.

Прошло уже сто лет, а учёные всё ещё спорят о том, что квантовая механика означает для природы реальности. Появились альтернативные интерпретации квантовой механики, такие как теория «пилотной волны» Луи де Бройля и Давида Бома, а также «многомировая интерпретация» Хью Эверетта. Однако ни одна из них пока не дала удовлетворительного объяснения.

В 1926 году, когда Шрёдингер посетил Копенгаген, он столкнулся с сильным сопротивлением со стороны коллег, включая Бора, который не прекращал дискуссии даже у постели больного Шрёдингера. Хотя математика его волновой механики оказалась полезной, она не восстановила ту реальность, к которой стремились Шрёдингер и Эйнштейн.

Гейзенберг утверждал, что квантовая механика нарушает привычные законы причинности, делая мир более неопределённым и субъективным. Реальность, которая ранее воспринималась как мир, состоящий из частиц, взаимодействующих по чётким законам, теперь представлялась как набор возможностей, где объективный наблюдатель уже не может занимать устойчивую позицию.

Такая картина мира вызвала недовольство многих учёных, включая Эйнштейна, который стремился вернуть традиционное понимание реальности. Однако учёные, такие как Бор, утверждали, что надо принять новую реальность, где мир остаётся до конца неопределённым до момента его измерения.

Сегодня, хотя эксперименты всё ещё не дают окончательного ответа на вопросы квантовой механики, становится ясно, что наш привычный мир — это то, как квантовая механика проявляется на макроуровне. Возможно, когда-то будет разработана новая теория, которая даст более глубокое понимание природы реальности. Или, возможно, группа Бора была права, утверждая, что нужно принять мир таким, какой он есть — наполовину сформированным до момента, когда мы решим, каким он будет.