| 2 |
[Jul. 15th, 2016|03:23 am] |
Коварен, но не злонамерен
После большей части года, проведенной в Бельгии под защитой королевской семьи, Эйнштейну пришлось попрощаться с Европой — как оказалось, навсегда. Альберт, Эльза, Хелен Дукас и Вальтер Майер отплыли на лайнере “Belgenland” и прибыли в Нью-Йорк 17 октября 1933 года. На этот раз никаких встречающих толп или репортеров не было. Чтобы избежать возможного саботажа со стороны нацистских шпионов, после того, как они сошли с корабля, Эйнштейна и сопровождающих лиц быстро увезли на небольшом катере в Нью-Джерси, откуда направили прямиком в Принстон.
Поскольку здания для Института перспективных исследований еще не были построены, Эйнштейну с коллегами пришлось разделить помещения с математическим факультетом в Файн-Холл, главном здании Принстонского университета. Одной из приятных особенностей этого здания был конференц-зал с большим камином. Над ним был выгравирован один из афоризмов Эйнштейна на немецком языке: “Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht” (Господь Бог коварен, но не злонамерен). Таким образом Эйнштейн выражал надежду, что Бог не позволит ученым поверить в ложную теорию природы, даже если найти правильное решение будет очень непросто. Эйнштейн все еще надеялся создать окончательную теорию, которая бы объединила все силы природы.
Одним насущным вопросом, с которым столкнулся Эйнштейн, был поиск помощника в его расчетах. Хотя ему и удалось договориться, чтобы Майера наняли специально для этой цели, его «калькулятор», к большому разочарованию Эйнштейна, решил заняться своими собственными математическими исследованиями. Что еще хуже, из-за того, что позиция Майера была постоянной, Флекснер отказался предоставить Эйнштейну другого помощника.
Из-за параноидальной мании Флекснера до малейших деталей контролировать расписание Эйнштейна, чтобы тот занимался только своими обязанностями в Институте перспективных исследований, у них начался конфликт. Эйнштейн был оскорблен до глубины души, когда узнал, что Флекснер читает всю его почту и отклоняет приглашения, даже не посоветовавшись с ним. Флекснер даже отклонил приглашение встретиться с Рузвельтами в Белом доме. Тем не менее Эйнштейн все-таки узнал о приглашении и принял его. Он чувствовал себя словно заключенный, запертый в IAS, лишенный ассистента, который мог бы помочь с расчетами.
К счастью, в IAS стекался стабильный поток блестящих молодых исследователей, жаждущих оставить свой след в науке и поработать с известными учеными. Два таких ума, русский физик Борис Подольский, получивший недавно докторскую степень в Калифорнийском технологическом институте, и американский физик Натан Розен, который учился в Массачусетском технологическом институте, оказались готовы к плодотворной теоретической работе. Эйнштейн воспользовался этой возможностью, и они начали сотрудничать в области квантовой физики.
Несмотря на нелюбовь к Флекснеру, Эйнштейн хорошо осознавал опасность возвращения в Европу. Он понимал, что IAS, расположенный в тихом месте, где не было необходимости преподавать, создавал ему идеальные условия для построения единой теории поля, завершения работы над общей теорией относительности, а также для проведения других научных исследований, близких его сердцу. Поэтому он решил остаться на неопределенный срок.
К счастью для Эйнштейна, Принстон был расположен неподалеку от побережья, так что Эйнштейн мог заниматься парусным спортом. Он купил яхту, которую назвал «Tinef» (что переводится с идиш приблизительно как «маленький кусочек мусора»), и проводил большую часть лета в различных местах пролива Лонг-Айленд и озера Саранак-Лейк в горах Адирондак северной части штата Нью-Йорк. Поскольку он не умел плавать, когда его яхта случайно перевернулась, ему пришлось звать на помощь местных жителей. Это произошло летом 1935 года, когда Эйнштейны отдыхали в городке Олд Лайм, штат Коннектикут, что послужило поводом для следующего заголовка в New York Times: «Относительно небольшой отлив и песчаная коса поймали Эйнштейна в ловушку; он посадил свой парусник на мель в Олд Лайм»2.
В другой раз, на Саранак-Лейк в 1941 году, мальчик спас Эйнштейну жизнь, когда тот запутался под водой в рыболовной сетке. Как рассказывал потом десятилетний спасатель Дон Дусо об этом инциденте много лет спустя, «он был в нокауте. Если бы я не оказался рядом, он бы, наверное, утонул»3.
Понимая, что они, вероятнее всего, останутся в Принстоне надолго, Альберт и Эльза начали подыскивать себе подходящий дом. Они нашли идеальное место всего в нескольких кварталах от университета (и временного расположения IAS), что позволяло Эйнштейну добираться до работы пешком или на велосипеде. В августе 1935 года они купили дом на Мерсер-стрит, 112. Верхний этаж был превращен в кабинет с новым панорамным окном с видом на сад. А комнаты на первом этаже супруги обставили антикварной мебелью, которую им удалось вывезти из их бывшей берлинской квартиры. Вскоре Эйнштейн написал королеве Бельгии Елизавете, что хотя он и отчужден от социальной жизни, «Принстон — это чудесное местечко... Я смог создать для себя атмосферу, где ничто не отвлекает и можно спокойно заниматься наукой»4.
Дом Эйнштейна на Мерсер-cтрит в Принстоне, штат Нью-Джерси. Фото Пола Хэлперна
Чтобы стало еще уютнее, они завели себе собаку — терьера по кличке Чико и несколько кошек. Чико верно нес службу, охраняя частную жизнь владельцев. Как однажды заметил Эйнштейн, «этот пес очень смышлен. Он жалеет меня за то, что мне приходит так много почты; вот почему он все время пытается укусить почтальона»5.
Тем не менее от одного из своих корреспондентов Эйнштейн всегда был рад получить письмо. Конечно же, это был Шрёдингер. Они поддерживали теплые отношения, а их переписка становилась все более философской в отрыве от родной земли. Эйнштейн также продолжал переписываться с Борном, чье мнение очень ценил, несмотря на их серьезные разногласия по поводу вероятностной квантовой механики. Он пытался убедить Флекснера пригласить Борна в IAS, но безрезультатно. Флекснер вообще перестал помогать Эйнштейну.
Примите моих жен, пожалуйста
Шрёдингер получил возможность посетить Принстон, но не через IAS, а через физический факультет университета. На факультете существовала специальная профессорская должность Джонсов, учрежденная братьями, выпускниками Принстона, желавшими помочь университету расширить возможности для проведения исследований в области математики и других наук, и на нее-то он и был приглашен.
Приглашение было послано в октябре 1933 года, когда состоялась тайная встреча специального комитета физического факультета, на которой комитет решал, кого назначить на профессорскую должность. Председателем комитета был Рудольф Ладенбург, атомный физик, эмигрировавший из Германии. Он был очень хорошо знаком с работами Гейзенберга и Шрёдингера и настойчиво предлагал их кандидатуры. Они решили предложить полную ставку Гейзенбергу, но также использовать часть средств для приглашения Шрёдингера на срок от одного до трех месяцев. Шрёдингер принял предложение, а Гейзенберг отказался, сославшись на политическую ситуацию в Германии как причину не выезжать за рубеж.
Взяв отпуск в Оксфорде, Шрёдингер посетил Принстон в марте — начале апреля 1934 года. За годы своей научной деятельности он выработал великолепный, выразительный стиль чтения лекций с использованием большого количества ярких аналогий. Увлеченность поэзией и театром помогала ему делать сложные научные концепции живыми и доступными для понимания. Глубокие познания Шрёдингера в древней истории и философии обогащали его лекции, посвященные современным проблемам. Кроме того, он прекрасно владел английским языком — у него было чистое произношение, практически без австрийского акцента. Эйнштейн же, напротив, читал лекции на английском языке только по заранее подготовленному конспекту, причем постоянно запинаясь. К тому же у него был ярко выраженный южнонемецкий акцент. Администрация факультета была довольна кандидатурой Шрёдингера и предложила декану по науке Лютеру Эйзенхарту назначить его на полную ставку.
По возвращении в Оксфорд Шрёдингер долго размышлял о предложении Принстонского университета, но в итоге решил его отклонить. Принстон привлекал его возможностью снова жить и работать в одном городе с Эйнштейном. И Шрёдингер надеялся, что Флекснер под давлением Эйнштейна предложит ему ставку в IAS, но этого не произошло. Видя высокий оклад Эйнштейна и его щедрую привилегию в виде отсутствия лекционной нагрузки, Шрёдингер хотел подобных условий и для себя. Но, к его разочарованию, Принстон предлагал хотя и по всем стандартам щедрые, но не соответствующие его запросам условия. Ожидая такого же отношения, как к Эйнштейну, Шрёдингер не понимал, насколько необычна была ситуация первого. Эйнштейн получал примерно на 50% больше, чем платили престижные университеты, такие как Принстонский, своим старшим профессорам физики. Ссылаясь на оклад в качестве основной причины, он с сожалением написал Ладенбургу в октябре о своем отказе.
Помимо финансовых причин Шрёдингеру приходилось принимать во внимание свою необычную семейную ситуацию. Шрёдингер, конечно, не хотел уезжать за океан от Хильде и Рут — ребенка, о котором он всегда мечтал. Он спрашивал себя, как общественность Принстона отреагирует на то, что он привезет их вместе с Энни. Может быть, его даже привлекут к ответственности за двоеженство? Говорят, что он упомянул эту ситуацию в беседе с президентом Принстонского университета Джоном Хиббеном и был разочарован его негативной реакцией по поводу идеи семьи с «двумя женами» и совместным воспитанием ребенка6.
Возможно, где-то в параллельной Вселенной Шрёдингер согласился бы на должность в Принстоне, стал бы еще ближе к Эйнштейну и провел бы остаток своей жизни в комфорте и безопасности. Может быть, Хильде и Рут удалось бы эмигрировать в США без привлечения особого внимания. Но вместо этого он решил вернуться в Австрию, как раз незадолго до ее аннексии фашистской Германией. В результате ему придется бежать из страны. Но причинность зависит от прошлого, а не от будущего. К тому же у него были неполные данные. Поэтому его обычно острый ум на сей раз дал сбой.
К 1935 году многие теоретики квантовой механики, довольные тем, что их основные представления оказались верными, приступили к изучению атомного ядра. В то время как квантовая теория уже представлялась достаточно разработанной, теория атома оказалась областью наиболее активных исследований. В этом же году японский физик Хидэки Юкава предложил модель описания взаимодействия нуклонов (протонов и нейтронов) между собой посредством обмена другими частицами, названными мезонами. Впоследствии это взаимодействие получит название сильного взаимодействия. Теория Юкавы пыталась объяснить, за счет чего нуклоны удерживаются в атомных ядрах. Сегодня мы знаем, что в качестве таких посредников выступают не мезоны, а глюоны. Годом ранее итальянский физик Энрико Ферми начал изучать процесс бета-распада — превращения нейтронов в протоны путем испускания электронов и других частиц. Это взаимодействие, называемое слабым, ответственно за некоторые виды радиоактивного распада. В конечном итоге оно было описано в рамках более общей теории электрослабого взаимодействия.
В то время как Шрёдингер заинтересовался этими исследованиями, Эйнштейн их попросту проигнорировал. Он предпочел сосредоточиться на сочинении попурри для дуэта своей юности — гравитации и электромагнетизма, а не пробовать играть на непроверенных инструментах и не превращать дуэт в трио или квартет. Таким образом, к середине 1930-х годов его попытки построения единой теории поля не могли больше рассматриваться как построение «теории всего». Скорее, они объединяли лишь некоторые, но не все силы, существующие в природе.
Между тем Эйнштейн по-прежнему был обеспокоен тем, что квантовый подход становился общепринятым. Его последняя встреча с Бором состоялась в 1930 году на Солвеевском конгрессе, где они спорили по поводу принципа неопределенности. Как и во время Солвеевского конгресса 1927 года, Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, якобы противоречащий квантовой теории, который Бор после долгих размышлений все же смог опровергнуть.
Гипотетическим устройством, которое предложил Эйнштейн, был заполненный излучением ящик, оснащенный таймером, предназначенным для испускания фотона в определенный момент времени. Взвешивая этот ящик до и после испускания фотона, можно рассчитать точную энергию фотона, аргументировал Эйнштейн. Таким образом, вопреки принципу неопределенности Гейзенберга, можно одновременно определить и время испускания, и энергию фотона.
Однако, как точно подметил Бор, Эйнштейн забыл включить в рассмотрение эффекты общей теории относительности. Используя собственную теорию Эйнштейна против него самого, Бор парировал, обратив внимание на то, что процесс взвешивания ящика — например, на пружинных весах — слегка изменил бы его положение в гравитационном поле Земли. В общей теории относительности временнáя координата объекта в гравитационном поле зависит от его местоположения. Таким образом, изменение положения ящика приведет к размазыванию временнóго значения в соответствии с принципом неопределенности. Используя свою квантовую логику, Бор опять перехитрил Эйнштейна.
Но и пять лет спустя Эйнштейн не забыл о спорах с Бором. В ряде дискуссий с Подольским и Розеном он возвратился к некоторым из своих квантовых парадоксов. К тому времени Эйнштейн уже признал, что квантовая механика точно объясняет экспериментальные результаты в атомной физике и физике элементарных частиц. Однако, как он отмечал в беседах с молодыми исследователями, квантовая механика не может быть полным описанием физической реальности. Соображения Эйнштейна были следующими: если пара таких величин, как координата и импульс, действительно описывает природу, то, в принципе, они должны иметь вполне определенные значения во все моменты времени. Невозможность точно определить их значения указывает на то, что квантовая механика не является исчерпывающей моделью природы. Кроме того, если при точном измерении координаты частицы ее импульс фактически становится неопределенным и даже неизмеримым, то это означает, что квантовая механика игнорирует реальность. Поэтому, согласно Эйнштейну, нечеткость принципа неопределенности указывает на ограничения квантовой механики в отношении соответствия теории и реальности.
Другой вопрос, который поднял Эйнштейн, был связан с нелокальностью, или «жутким дальнодействием»7. Любое мгновенное воздействие одной частицы на другую, удаленную от нее в пространстве, будет нарушать то, что он назвал принципом локального реализма. Причинность, утверждал он, имеет локальную природу, которая объясняется взаимодействием между соседними субъектами, распространяющимся в пространстве от одной точки к другой со скоростью света или медленнее. Далекие объекты должны рассматриваться как физически обособленные, а не как связанные системы. В противном случае между электроном на Земле и электроном, скажем, на Марсе может существовать своего рода «телепатическая связь». Как может каждый из них мгновенно «узнать», что делает другой?
К тому времени Джон фон Нейман уже формализовал понятие коллапса, или редукции волновой функции, первоначально предложенное Гейзенбергом. В этой модели волновая функция частицы может быть выражена в терминах собственных состояний или оператора координаты, или оператора импульса, но не обоих операторов сразу. Это что-то вроде нарезки яйца. Его можно разрезать вдоль или поперек на несколько кружков. И вы можете сделать либо одно, либо другое, если только у вас нет задачи нарезать яйцо кубиками. Точно так же, когда вы «нарезаете» волновую функцию частицы, вы будете вынуждены выбирать между операторами координаты и импульса, в зависимости от того, какую из этих величин вы пытаетесь измерить. Затем, после измерения координаты или импульса, волновая функция мгновенно коллапсирует с определенной вероятностью в одно из собственных состояний оператора координаты или импульса. Теперь предположим, что причина такого коллапса удалена в пространстве. Исследователь, «не предупреждая об этом частицу», решает, какую величину он будет измерять. Как при редукции волновая функция мгновенно узнает, из какого набора собственных состояний ей следует выбирать?
Статью, подводящую итоги диалога между Эйнштейном, Подольским и Розеном, под названием «Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?» (часто называемой «ЭПР-статьей») написал и представил для публикации Подольский. Опубликованная в журнале Physical Review 15 мая 1935 года, статья вызвала настоящий переполох в сообществе квантовых физиков — особенно она удивила Бора, который считал, что дискуссия уже давно закончилась. Бору снова пришлось защищать квантовую механику, именно в тот момент, когда он только начал углубляться в теорию ядра.
В статье описывалась ситуация для двух частиц (например, системы из двух электронов), которые движутся в разные стороны, например, после столкновения. Хотя они и разнесены в пространстве, квантовая механика говорит нам, что эту систему можно описать общей волновой функцией. Шрёдингер назвал такую ситуацию запутанностью.
Предположим, что исследователь измерил координату первой частицы. Тогда волновая функция всей системы коллапсирует в одно из собственных состояний оператора координаты, а также мгновенно дает информацию о местоположении второй частицы. Если же, наоборот, был измерен импульс первой частицы, то сразу становится известен импульс второй частицы. Поскольку вторая частица не может «знать» заранее, что собирается сделать исследователь, она должна иметь наготове оба набора собственных состояний: и оператора координаты, и оператора импульса. Нахождение частицы одновременно и в собственном состоянии оператора координаты, и в собственном состоянии оператора импульса запрещается принципом неопределенности. В статье говорилось, что теория квантовых измерений — это не ладно сшитое платье, а лоскутное одеяло, сотканное из противоречий.
Вскоре Шрёдингер написал Эйнштейну, выразив восхищение статьей. «Я был очень рад тому, что... Вы публично схватили догматичную квантовую механику за шкирку, сделали то, о чем мы уже так много говорили в Берлине», — писал он8.
Вместе с тем философы науки Артур Файн и Дон Ховард указывали, что Эйнштейн проводил четкую грань между личными взглядами и аргументами, изложенными в ЭПР-статье. Достаточно странно, что такой авторитетный ученый, как Эйнштейн, не читал статью до ее опубликования. Поэтому у него были некоторые сомнения касательно предложенной Подольским аргументации. Как он ответил Шрёдингеру, «[статья] была написана Подольским после многих совместных дискуссий. Но она не вышла в таком виде, как я на самом деле хотел; суть была похоронена эрудицией»9.
Эйнштейн не хотел акцентировать внимание на истинности или ложности принципа неопределенности. Скорее, он хотел подчеркнуть необходимость таких законов природы, которые бы допускали локальное и полное описание всех физических величин. Квантовая механика, как заявляли Гейзенберг, фон Нейман и другие ученые, по-видимому, содержит нелокальные и неоднозначные аспекты, которые требуют более полного объяснения.
«Вся физика описывает „реальность“, — объяснял он Шрёдингеру. — Но это описание может быть полным или неполным»10.
Чтобы пояснить свою позицию, Эйнштейн предложил Шрёдингеру следующую гипотетическую ситуацию. Допустим, мяч находится в одной из двух закрытых коробок. С позиции вульгарного понимания теории вероятностей мы должны предположить, что одна половина мяча находится в одной коробке, а другая половина — в другой. Тем не менее он не может быть разделен между обеими коробками; он должен быть или в одной, или другой. Полное описание однозначно определит, где именно находится мяч в каждый момент времени.
Эйнштейн обнародовал свои взгляды еще до выхода статьи. Четвертого мая 1935 года газета New York Times опубликовала заметку с кричащим заголовком «Эйнштейн атакует квантовую теорию». В статье объяснялась точка зрения Эйнштейна на квантовую теорию: «хоть она и „правильная“, но „неполная“»
http://lj.rossia.org/users/dranduleth/7222.html
|
|
|
