Эпизод шестой: Гейзенберг перед выбором
Эпизоды «Революции вундеркиндов»
Вундеркинды — вперёд!
Революционную работу Вернера Гейзенберга 1925 года сразу признали физики, с которыми он тесно общался. Мы уже видели, что Макс Борн с первого взгляда оценил прорыв своего ассистента и сам немедленно приступил к развитию его идеи. Так же поступил и молодой англичанин Поль Дирак, к которому рукопись Гейзенберга тоже попала ещё до выхода статьи в свет. Дирак очень быстро нашёл и развил другой математический язык, на котором идея Гейзенберга стала столь же стройной теорией, как и на языке матриц1. При этом статья Дирака «Основные уравнения квантовой механики» вышла в свет раньше, чем знаменитая «Работа трёх», — редакция «Трудов Королевского общества» получила рукопись 7 ноября 1925 года, и статья успела выйти ещё в том же году, тогда как работа Борна, Гейзенберга и Йордана стала доступной читателям лишь в 1926 году2. Нильс Бор, выступая в конце августа 1925 года на шестом Скандинавском математическом конгрессе, оценил первую статью Вернера Гейзенберга как выдающееся достижение. В конце доклада Бор заметил: «Будем надеяться, что началась новая эра взаимного стимулирования механики и математики»3.
Однако большинству физиков статья Гейзенберга «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» показалась не очень важной или осталась непонятной. Ведь физикам аппарат матричного исчисления был, за редким исключением, незнаком. Показательно, что статья Гейзенберга, выйдя в свет в 1925 году, попала в официальный реферативный журнал Немецкого физического общества «Physikalische Berichte » только в 1927 году, причём короткий анонимный реферат, подготовленный, по-видимому, сотрудником редакции, состоял из одной фразы: «Сделана попытка создать основы квантовотеоретической механики, базирующейся исключительно на связях между принципиально наблюдаемыми величинами»4.
Дело не только в новом математическом аппарате. Абстрактные, почти философские черты статьи Гейзенберга отпугивали физиков, привыкших работать с более конкретными вещами. Показательно, даже такой гений, как Энрико Ферми, познакомившийся с Гейзенбергом во время своего пребывания в Гёттингене, не воспринял сразу его основополагающую статью. Эмилио Джино Сегре пишет об этом: «Великая статья Гейзенберга по матричной механике в 1925 году не показалась Ферми особенно ясной, и он овладел квантовой механикой позже, лишь познакомившись с волновой механикой Шрёдингера. Я хочу подчеркнуть, что эта позиция Ферми никоим образом не вызывалась математическими трудностями и новизной матричной алгебры — подобные трудности были для него не более чем мелкой помехой; скорее, ему были чужды физические идеи, лежащие в основе этих статей»5.
Сам Гейзенберг чувствовал себя неуютно в мире, где слишком много математики. В письме Паули из Гёттингена от 16 ноября он признавался: «Здесь я нахожусь в окружении, которое думает и чувствует прямо противоположно мне, и я не знаю, глуп ли я настолько, что не понимаю математики. Гёттинген разделился на два лагеря, одни, как Гильберт (или тот же Вейль в письме Йордану), говорят о большом успехе, который достигнут благодаря введению исчисления матриц в физику; другие, как Франк, говорят, что никогда не смогут понять матрицы. Я всегда злюсь, если слышу, что теорию называют матричной физикой, и планирую через какое-то время слово „матрица“ вообще из теории вычеркнуть и заменить другим, например, „квантовомеханические величины“ (вообще, матрица — самое дурацкое математическое слово)»6.
Несмотря на такой пессимистичный взгляд на математику, Гейзенберг по просьбе Гильберта выступил с серией лекций на математическом семинаре в Гёттингене. В интервью Томасу Куну, состоявшемся 22 февраля 1963 года в Мюнхене, Вернер рассказал: «Я вспоминаю, что после первой лекции Гильберт был очень доволен и наговорил много приятных слов о ней. Но после второго выступления он сказал: „Ну, вторая лекция не очень удалась. Такого типа лекцию я мог бы и сам прочитать!“ Очевидно, я не смог хорошо объяснить некоторые вещи во второй лекции. Мне было ужасно стыдно, и я попытался улучшить мои следующие доклады»7.
В конце концов Гильберт был удовлетворён и предложил Гейзенбергу написать статью специально для математиков в журнал «Mathematische Annalen», что и было выполнено. Это была первая работа по квантовой механике, адресованная не только специалистам-физикам. В редакцию журнала она поступила 21 декабря8. В этой статье Вернер успел упомянуть только что вышедшую в свет работу Поля Дирака9, предлагавшую другой подход к математическому обоснованию идеи Гейзенберга.
В личном письме Дираку от 20 ноября 1925 года автор основной идеи квантовой механики похвалил работу английского коллеги и почти ровесника, но сообщил, что многие её результаты уже были открыты авторами «Работы трёх», которая вскоре должна выйти из печати. В утешение он заметил: «Ваша работа действительно лучше и концентрированней написана, чем наша»10.
Возвращаясь к отказу Вольфганга Паули сотрудничать с ним в развитии идей Гейзенберга, Макс Борн напоминает, что его бывший ассистент сам признавался коллегам, что он не думал серьёзно над идеей Гейзенберга и не хотел вмешиваться в его планы. У Паули не было оснований считать, что директор Института теоретической физики сам хочет вмешаться в работу своего ассистента. Борн уточняет: «Я не могу точно вспомнить, говорил ли я Паули о том, что Гейзенберг просил меня его статью — насколько возможно — развить дальше, но я думаю, что упоминал это». Вывод, к которому пришёл Борн, точен, хотя и не всегда утешителен — ошибаются и гении: «Даже такой великий ум, как Паули, не застрахован от ошибок неверного оценивания в подобных сложных ситуациях. Он просто не понял сути вопроса»11.
Но дело тут не в том, что Паули не увидел перспектив идеи Гейзенберга и поэтому отказался сотрудничать с Борном. Паули был принципиально против подхода, который применялся в школе Борна в Гёттингене для решения квантовомеханических задач. Об этом подробно рассказал Вернер Гейзенберг в упомянутом интервью Томасу Куну12.
Отвечая на вопрос о причинах конфликта между Паули и Борном, Гейзенберг начал издалека. Проблематика квантовой физики пришла в Гёттинген после Боровского фестиваля в 1922 году. Основная идея Борна того времени — применить к физике атома методы, разработанные в небесной механике, в частности метод возмущений. К этому направлению он привлёк своих ассистентов — сначала Паули, а затем Гейзенберга. Некоторые результаты совместной работы Борна и Гейзенберга были изложены в статье 1923 года, которой Вернер остался недоволен. Были и другие попытки, столь же неудачные. Реального продвижения в понимании строения атома вплоть до 1925 года так и не получилось. Чем глубже погружался Борн с ассистентами в дебри математических построений, тем очевиднее становилось Паули, что это неверный путь. Он всегда подчёркивал, что сначала надо решить проблемы физики и только потом подбирать подходящий математический аппарат. Для физика на начальном этапе работы важны не те задачи, которые решает математик — доказательство существования решения или построение системы аксиом. Спустя сорок лет Гейзенберг даёт объяснение поведению Паули, который мог рассуждать так: «Мы находимся в самом начале интересного развития в физике. Вполне вероятно, что проблемы физики могут быть сейчас решены. Но если мы начнём слишком рано заниматься математическими доказательствами, идеей математических доказательств, то мы имеем хороший шанс разрушить всё это. Потому что тогда мы имеем шанс бессознательно допустить некоторые математические аксиомы, которые на самом деле не выполняются, и, следовательно, они опять приведут к противоречиям и трудностям»13.
В принципе, взгляды Паули на взаимоотношения математики и физики были верными. Но ситуация лета 1925 года оказалась исключительной: в тот момент идее Гейзенберга как раз не хватало хорошего математического фундамента. Паули этого не понял, потому что ещё недостаточно глубоко вник в статью друга, не желая на этом этапе вмешиваться в его работу. На самом деле именно Макс Борн был тем человеком, который смог подвести под озарение Гейзенберга нужный математический формализм. Скепсис и сарказм Паули, справедливые в других обстоятельствах, в тот момент были просто неуместными.
На это ему смог достаточно резко указать сам Гейзенберг. В октябре 1925 года, когда Вернер ещё работал в Копенгагене, до него дошло письмо Паули Ральфу Кронигу, которое мы уже частично цитировали. В этом письме, отправленном 9 октября, наряду с высокой оценкой идеи Гейзенберга, Паули написал: «Вообще, нужно сначала попробовать механику Гейзенберга ещё больше освободить от потока формальной гёттингенской учёности и лучше раскрыть её физическое ядро»14.
Тут уж сам автор гениальной идеи, тоже не слишком жаловавший математику, не выдержал и возмутился. Ответ Вернера, датированный 12 октября, носил грозный заголовок «Отповедь по-баварски», что означало «по-нашему, по-народному»: «Это действительно свинство, что Вы не можете прекратить оскорбления. Ваша вечная ругань на Копенгаген и Гёттинген — это просто вопиющий скандал. Кончайте нас подозревать, что мы злой волей намереваемся разрушить физику; если вы нас упрекаете, что мы такие большие ослы, что никогда ничего нового не привносим в физику, то это, может быть, и верно. Но тогда Вы сами ещё больший осёл, так как тоже ничего такого не внесли………… (точки означают ругательство, которое длится примерно две минуты)»15.
Паули отнёсся к отповеди друга весьма серьёзно и, получив в конце октября рукопись «Работы трёх», взялся её основательно штудировать. Неизвестно, терзался ли Паули раскаянием из-за грубого отказа работать с Максом Борном, но он на деле показал, что стал активным сторонником новой квантовой механики. Авторы «Работы трёх», предложив общую схему решения квантовомеханических задач, не смогли из-за технических трудностей сразу продемонстрировать её возможности хотя бы на примере простейшего атома водорода. За эту задачу взялся Паули и за короткое время решил проблему. Уже в первых числах ноября он сообщил Гейзенбергу о полученных результатах. Ему удалось не только ещё раз описать эффекты, которые ранее удовлетворительно объяснялись старой теорией Бора—Зоммерфельда, но и объяснить результаты, которые в старую концепцию не укладывались. Соответствующая статья поступила в редакцию журнала «Zeitschrift für Physik» 17 января и вышла в свет в мае следующего года