Нильс Бор, лазеры и “случай”

Но наиболее явно переход Эйнштейна в середине жизни из стана революционеров в стан консерваторов проявился в его все более напряженных отношениях с квантовой теорией, приведшей в середине 1920-х годов к созданию совершенно новой механики. Он подозрительно относился к этой новой квантовой механике, большую часть времени тратил на поиск единой теории поля, которая объединила бы ее с теорией относительности и вернула определенность природе. Этот поиск длился всю вторую половину его научной карьеры и в какой-то степени сделал ее менее значимой. Когда-то он был бесстрашным первооткрывателем квантов. В начале века они с Максом Планком начали квантовую революцию, но в отличие от Планка Эйнштейн был среди тех немногих ученых, кто искренне верил в физическую реальность кванта – в то, что свет действительно представляет собой порции энергии. Иногда такие кванты ведут себя как частицы. Это неделимые элементы, а не часть континуума.

В 1909 году, выступая в Зальцбурге, Эйнштейн предсказывал, что физике предстоит примириться с дуальностью, то есть с тем, что свет можно считать и волной, и частицей. И на первом Сольвеевском конгрессе в 1911 году он решительно утверждал, что “эти нарушения непрерывности, которые нам так не нравятся в теории Планка, по-видимому, на самом деле должны существовать в природе”²⁸.

По этой причине Планк, не готовый признать физическую реальность введенных им квантов, написал об Эйнштейне в рекомендательном письме для избрания в Прусскую академию: “Возможно, высказав гипотезу о квантах света, он зашел слишком далеко”. Другие ученые тоже поддержали Планка в неприятии квантов Эйнштейна. Вальтер Нернст назвал эту идею “вероятно, самым странным, о чем он когда-либо слышал”, а Роберт Милликен – “полностью несостоятельной” – даже после того, как сам в своей лаборатории проверил точность предсказаний теории Эйнштейна²⁹.

Новый этап квантовой революции начался в 1913 году, когда Нильс Бор предложил свою исправленную модель атома. Бор, блестящий, но застенчивый и невразумительно выражавшийся молодой датчанин, был шестью годами моложе Эйнштейна. Он был знаком как с немецкими работами по квантовой теории Планка и Эйнштейна, так и с работами по структуре атомов англичан Дж. Дж. Томсона и Эрнеста Резерфорда. “В то время квантовая теория была немецким изобретением, вряд ли вообще проникшим в Англию”, – вспоминал Артур Эддингтон³⁰.

Бор отправился учиться к Томсону в Кембридж. Но у невнятно бормочущего датчанина и неразговорчивого британца возникли трудности в общении. Поэтому Бор перебрался в Манчестер работать с более коммуникабельным Резерфордом, автором модели атома, где крошечные отрицательно заряженные электроны вращались по орбитам вокруг положительно заряженного ядра³¹.

Усовершенствование, сделанное Бором, основывалось на том, что вращающиеся электроны не сваливаются на ядро, испуская излучение непрерывного спектра, как то предсказывает классическая механика. В новой модели Бора, основанием которой послужило изучение атома водорода, электрон, находясь в состояниях с дискретными энергиями, вращается вокруг ядра по определенным разрешенным орбитам. Атом может поглощать энергию излучения (такого как свет) только маленькими порциями, что приводит к перебрасыванию электрона с орбиты, на которой он находился, на другую, более высокую разрешенную орбиту. Точно так же атом может испускать излучение только порциями, что приведет к падению электрона вниз на другую разрешенную орбиту.

При переходе с одной орбиты на другую электрон совершает квантовый скачок. Другими словами, это отдельный, проходящий с нарушением непрерывности переход с одного уровня на другой без возможности отклониться и оказаться где-то между уровнями. Бору удалось показать, что его модель объясняет положение спектральных линий излучения атома водорода.

Услышав об этой теории, Эйнштейн пришел в восхищение, но он и несколько завидовал Бору. Один ученый описывал это Резерфорду так: “Он сказал мне, что однажды нечто подобное приходило и ему в голову, но он не осмелился это опубликовать”. Позднее Эйнштейн объявил, что “открытие Бора – музыка высших сфер в области мысли”³².

Основываясь на модели Бора, Эйнштейн в 1916 году написал серию статей, наиболее существенная из которых, “К квантовой теории излучения”, вышла из печати в 1917 году³³.

Эйнштейн начал с мысленного эксперимента. Он представил себе камеру, в которой есть облако атомов, омываемых светом (или каким-либо другим электромагнитным излучением). Затем Эйнштейн комбинирует модель атома Бора с теорией квантов Макса Планка. Если каждое изменение электронной орбиты соответствует поглощению или испусканию одного кванта света, то – престо! – отсюда следует новый, более простой способ для получения формулы Планка, объясняющей закон излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн хвастал Мишелю Бессо: “Меня осенила блестящая идея относительно поглощения и испускания излучения. Она заинтересует тебя. Удивительно простой вывод, я бы сказал, именно вывод формулы Планка. Абсолютно квантовая история”³⁴.

Атомы спонтанно испускают излучение. Но, предполагает Эйнштейн, этот процесс можно стимулировать. Упрощенно это можно себе представить так: предположим, что атом, поглотив фотон, уже оказался в состоянии с более высокой энергией. Если теперь его возбудить с помощью другого фотона определенной длины волны, это может привести к испусканию двух фотонов одной и той же длины волны и одинаковой поляризации.

Открытие Эйнштейна было несколько сложнее. Предположим, имеется газ атомов, в который накачивается энергия, скажем, с помощью электрических импульсов или света. Энергия будет поглощаться большим числом атомов, которые переходят в состояния с более высокой энергией и начинают испускать фотоны. Эйнштейн утверждал, что присутствие облака фотонов делает более вероятным испускание фотона той же длины волны и того же направления, что и другие фотоны облака³⁵. Прошло почти сорок лет, и на основе этого процесса, названного вынужденной эмиссией, были изобретены лазеры. Это название составлено из первых букв английских слов light amplification by the stimulated emission of radiation – “усиление света путем вынужденной эмиссии излучения”.

Один из выводов квантовой теории излучения Эйнштейна приводил к странному результату. “Можно убедительно показать, – рассказывал он Бессо, – что элементарные акты испускания и поглощения – это направленные процессы”³⁶. Иначе говоря, когда фотон вырывается из атома, он не может (как это должно было бы происходить в классической волновой теории) сделать это сразу во всех направлениях. Наоборот, фотон обладает импульсом. Другими словами, уравнения Эйнштейна работают, только если каждый квант излучения испускается в определенном направлении.

Само по себе это не столь уж важно, но есть одно затруднение: невозможно определить, в каком именно направлении будет двигаться испущенный фотон. Кроме того, невозможно определить, в какой момент это произойдет. Если атом находится в состоянии с более высокой энергией, можно вычислить только вероятность того, что в определенный момент он испустит фотон. Однако ни время испускания фотона, ни направление его движения точно определить невозможно. Неважно, какой информацией вы обладаете. Как при игре в кости, все отдано на откуп случаю.

Проблема была именно в этом. Возникала угроза строгому детерминизму механики Ньютона, под сомнение ставилась достоверность классической физики, подрывалась вера в то, что, зная все координаты и скорости частиц системы, мы можем определить ее будущее. Теория относительности могла казаться радикальной, но она по крайней мере оставляла в неприкосновенности строгое выполнение принципа причинности. Но причудливое и непредсказуемое поведение беспокойных квантов вмешивалось в причинные связи.

“Слабость теории в том, – признавался Эйнштейн, – что время и направление случайного процесса она отдает на волю “случая””. Концепция случайности, случая – он употреблял немецкое слово Zufall – приводила его в замешательство, казалась настолько странной, что само это слово он взял в кавычки, как если бы хотел отстраниться от него³⁷.

Для Эйнштейна и, несомненно, для большинства старых, “классических” физиков сама идея о том, что Вселенная может основываться на случайности – событие происходит беспричинно, – не только вызывала дискомфорт, но и подрывало все здание физики. Действительно, Эйнштейн с этим никогда не мог смириться. “Вопрос о принципе причинности изводит меня, – писал он Максу Борну в 1920 году. – Удастся ли когда-нибудь понять поглощение и испускание света, подобное квантовому, с учетом детального выполнения принципа причинности?”³⁸

Всю оставшуюся жизнь Эйнштейн отказывался признавать, что в квантовом мире законами природы управляют вероятности и неопределенности. “Предположение, что электрон, которому предстоит быть излученным, должен самостоятельно, по собственной воле выбирать не только момент скачка, но и его направление, я нахожу абсолютно недопустимым, – доведенный до отчаяния, жаловался он Борну через несколько лет. – Если это так, я предпочел бы быть сапожником или крупье в казино, но не физиком”³⁹.

С философской точки зрения реакция Эйнштейна представляется зеркальным отражением позиции антирелятивистов, истолковывавших (или ошибочно истолковывавших) его теорию относительности как провозвестницу конца определенности и абсолюта в природе. В действительности сам Эйнштейн полагал, что теория относительности приводит к более глубокому пониманию определенности и абсолюта (того, что он назвал инвариантностью), основанному на объединении пространства и времени в одну четырехмерную структуру. Напротив, квантовая механика строилась исходя из неопределенности, лежащей в основании природы, где события могут описываться только в терминах вероятностей.

Нильс Бор, который стал главой квантово-механического движения со штаб-квартирой в Копенгагене, впервые встретился с Эйнштейном в 1920 году, когда приезжал в Берлин. Он появился в квартире Эйнштейна вместе с датским сыром и маслом и очень быстро перешел к обсуждению роли случая и вероятности в квантовой механике. Эйнштейн выразил озабоченность в связи с “отказом от непрерывности и принципа причинности”. Бор был смелее, ступив на эту зыбкую почву. В свете известных фактов, возразил он Эйнштейну, “единственная оставшаяся возможность” – отказ от строгого соблюдения принципа причинности.

Эйнштейн признался, что, хотя он и обеспокоен, на него производит глубокое впечатление прорыв, совершенный Бором при объяснении структуры атома. “Я и сам мог бы прийти к чему-то похожему, – посетовал Эйнштейн, – но если все это и на самом деле правда, значит, физика кончилась”⁴⁰.

Хотя идеи Бора смущали Эйнштейна, сам неуклюжий и непринужденный датчанин очень располагал к себе. “Нечасто в моей жизни случалось, чтобы человек просто своим присутствием доставлял мне такую радость”, – написал он Бору после его визита, добавив, что он с удовольствием представляет себе его “радостное мальчишеское лицо”. Столь же увлеченно он говорил о Боре и за его спиной. “Здесь был Бор, и я увлекся им так же, как вы, – написал он их общему другу Эренфесту в Лейден. – Он чрезвычайно впечатлительный парень и передвигается по миру как будто в трансе”⁴¹.

А Бор, со своей стороны, преклонялся перед Эйнштейном. Когда в 1922 году было объявлено, что они один за другим стали обладателями Нобелевской премии, Бор написал Эйнштейну, что его радость еще больше, поскольку Эйнштейн, учитывая его “фундаментальный вклад в ту специфическую область, где я работаю”, добился признания первым⁴².

Следующим летом по дороге домой из Швеции, где он читал Нобелевскую лекцию, Эйнштейн остановился в Копенгагене, чтобы повидать Бора. Бор встречал его на вокзале, намереваясь на трамвае отвезти домой. По дороге они заговорились. “Мы сели в трамвай, но разговор был столь оживленным, что заехали мы слишком далеко, – вспоминал Бор. – Мы вышли и отправились в обратный путь, но опять заехали слишком далеко”. Они ни на что не обращали внимания, уж слишком увлекательным был разговор. По словам Бора, они “ездили туда и обратно, и можно себе представить, что думали о нас люди”⁴³.

Это было нечто большее, чем просто дружба. Их отношения перешли в сложную интеллектуальную взаимозависимость. Начав с расхождения во взглядах на квантовую механику, они расширили тему споров, перейдя к связанным с этим вопросам о науке, теории познания и философии. “За всю историю человеческой мысли не было более значительного диалога, чем тот, который многие годы вели Нильс Бор и Альберт Эйнштейн о смысле квантов”, – сказал работавший с Бором физик Джон Уилер. Английский специалист по социальной философии и писатель Чарльз Перси Сноу пошел еще дальше. “Никогда еще не было столь содержательных интеллектуальных дебатов”, – утверждает он⁴⁴.

Их диспут затрагивал основы мироздания. Возможна ли объективная реальность, существующая независимо от того, можем мы ее наблюдать или нет? Имеются ли законы, гарантирующие строгое соблюдение принципа причинности для явлений, которые в своей основе представляются случайными? Предопределены ли все процессы, происходящие во Вселенной?

Пока оба были живы, Бор продолжал что-то бессвязно бормотать и мучиться после очередной неудачной попытки обратить Эйнштейна в свою “квантово-механическую” веру. “Эйнштейн, Эйнштейн, Эйнштейн”, – ворчал он после каждой яростной схватки. Но дискуссия велась с глубоким чувством привязанности друг к другу и даже с юмором. Однажды, когда Эйнштейн, уже в который раз, декларировал, что Бог не играет в кости, именно Бор нанес встречный удар, высказав знаменитое возражение: “Эйнштейн, перестаньте указывать Богу, что Ему делать!”⁴⁵