Вернер Гейзенберг в Англии накануне рождения матричной механики

Евгений Беркович
Евгений Беркович

В мае 1945 года, когда скорый разгром гитлеровской Германии для всех стал очевидным, направленная еще в 1943 году в Европу специальная американская команда «Алсос» добилась решительных успехов. Целью команды был сбор документов о секретном немецком Урановом проекте и арест основных создателей немецкого атомного оружия. Одним из последних в своем доме в Урфельде был арестован научный руководитель Уранового проекта Вернер Гейзенберг. Его отвезли в Гейдельберг, где подвергли тщательному допросу. Когда Гейзенберг увидел, кто его будет допрашивать, он на какое-то мгновение потерял дар речи: перед ним в форме старшего офицера американской армии сидел его давний друг Сэмюэл Гаудсмит, чья фотография стояла у Гейзенберга на рабочем столе в кабинете в Хехингене, куда его команда переехала из разрушенного Берлина. А первая встреча Гейзенберга и Гаудсмита состоялась двадцать лет назад, в 1925 году, на заре создания квантовой механики.

«Наука может быть прекрасной, а не только интересной»1
Вернер Гейзенберг, 1930-е годы
Вернер Гейзенберг, 1930-е годы

Страсти вокруг спина разгорелись осенью 1925 года, а в июле, когда Гейзенберг впервые прибыл в Голландию, Сэмюэл Гаудсмит принимал его не как соавтор открытия новой квантовой характеристики электрона, а как простой студент и гостеприимный хозяин, показывающий гостю свою страну. Через несколько дней, переехав в Англию, Гейзенберг благодарил своего спутника: «Это было действительно очень мило с вашей стороны, что вы провели меня по всей Голландии и показали всё прекрасное, что есть в Гааге и Амстердаме» (Rechenberg, 2010, стр. 352).

Очевидно, что Вернер и жил в Гааге в доме Гаудсмитов, потому что в письме из Кембриджа передает приветы «уважаемым родителям и невесте» Сэмюэла. В Голландии Гейзенберг не только осматривал достопримечательности, но и вел напряженные научные дискуссии в Лейденском университете. На знаменитой доске в кабинете Эренфеста, где гости профессора оставляли свои подписи, Гейзенберг расписался 26 июля 1925 года. В тот же день вечером он уже был в Кембридже. Перед этим проехал с экскурсией по Лондону. В письме Гаудсмиту, с которым успел подружиться, Вернер признается: «В Лондоне мне очень понравились старые здания, Тауэр, Вестминстерское аббатство, церковь Варфоломея; они сразу делают живыми до того мертвые картинки английской истории» (Rechenberg, 2010, стр. 353).

Ральф Говард Фаулер («Википедия»)
Ральф Говард Фаулер («Википедия»)

В Кембридже Гейзенберг остановился у пригласившего его профессора Ральфа Фаулера. Так получилось, что самого хозяина и его жены Эйлин, единственной дочери Эрнеста Резерфорда, в этот вечер не было дома. Много позже Вернер вспоминал в интервью, как необычно сложился его первый день в этом старинном университетском центре. «Он (Фаулер. — Е.Б.) поручил служанке обеспечить меня завтраком и едой в течение дня. Утром я встал на завтрак, но тут же заснул прямо за столом. Служанка убрала завтрак. Днем она снова вошла и сказала, что ланч готов. Я ничего не слышал и спал дальше. Озадаченная, она унесла и ланч тоже. Во второй половине дня она сообщила мне, что можно было бы попить чаю, на что я ответил „да“ и продолжал спать, то же произошло и с обедом. Примерно в 9 часов вечера Фаулер вернулся домой из Лондона. Девушка была страшно возбуждена и рассказала ему, что я должно быть болен, может быть, даже при смерти. Фаулер вошел ко мне в комнату, я заметил его и сказал: „О, привет, Фаулер!“ Он спросил: „Что с вами? Вы больны?“ Я ответил: „Нет, мне действительно хорошо. Я полностью здоров“» (Rechenberg, 2010, стр. 353).

Проспав в общей сложности 24 часа, Гейзенберг восстановился от страшной усталости. Дело, конечно, не в утомительных экскурсиях по Голландии и Лондону, не в смене климата, а в напряженной умственной работе, начавшейся еще до Гельголанда и закончившейся только в Гёттингене. Теперь Вернер снова был в форме, весь день 28 июля он провел с Фаулером в прогулках по кембриджским паркам, беседуя о физике. Гостеприимный хозяин показывал гостю Кавендишскую лабораторию, в частности, огромную динамо-машину, построенную Петром Капицей для получения магнитного поля в миллион гауссов. А вечером Фаулер привел Гейзенберга в «Клуб Капицы», где Вернер сделал доклад, про который он написал Гаудсмиту: «У нас был коллоквиум по термзоологии, это было действительно славно и занимательно, англичане — очень приветливые люди» (Rechenberg, 2010, стр. 353).

Участники «Клуба Капицы». Кабинет Петра Капицы в Тринити-колледже. П. Л. Капица сидит под изображением крокодила на грифельной доске. 1925 год
Участники «Клуба Капицы». Кабинет Петра Капицы в Тринити-колледже. П. Л. Капица сидит под изображением крокодила на грифельной доске. 1925 год

Энергичный Пётр Капица, работавший с Резерфордом с 1921 года, организовал клуб в Кембридже для живого обмена мнениями по актуальным вопросам физики. Заседания проводились каждый вторник, сначала на квартире Капицы, а с 1924 года — в аудитории Кавендишской лаборатории. Атмосфера на заседаниях царила непринужденная, многие участники сидели прямо на полу, вопросы можно было задавать любые, не стесняясь осуждения специалистов. Тон задавал сам основатель клуба, показывая пример молодым участникам заседаний. Темы поднимались разные, но наибольший интерес вызывали вопросы атомной физики. Так, осенью 1924 года с тремя докладами о работах своего института в Гёттингене выступал Джеймс Франк.

С Гейзенбергом Капица познакомился в Гёттингене в начале июля того же 1925 года и пригласил его выступить в своем клубе. В дневнике «Клуба Капицы» тема доклада Гейзенберга 28 июля названа, как было сказано, «Термзоология и Зееманботаника». В докладе рассматривались проблемы спектроскопии на основе предыдущих работ Гейзенберга, а в конце выступления Вернер сказал несколько слов о новом подходе, рожденном на Гельголанде. Присутствовавший там молодой студент профессора Фаулера Поль Дирак, еще один из «поколения вундеркиндов», совершивших вторую революцию в физике, так вспоминал о докладе Гейзенберга: «Летом 1925 года Гейзенберг приехал в Кембридж и выступил с докладом в „Клубе Капицы“. Основной темой его доклада были „Аномалии в эффекте Зеемана“, и я почти всё понимал. Однако в конце, когда Гейзенберг рассказывал о своих новых идеях, я уже слишком устал, чтобы следить за докладом, и перестал его воспринимать. Гейзенберг же говорил о возникновении своих идей о новой механике. Но я совершенно не осознавал, что Гейзенберг в этот момент вводит нечто совершенно революционное, а потом и вовсе забыл всё, что он говорил по поводу новой теории. Более того, я был почти уверен, что о ней вообще не шла речь, но люди, присутствовавшие на том заседании „Клуба Капицы“, уверяли меня, что я ошибаюсь. В частности, Фаулер был в этом убежден, и мне остается лишь поверить в то, что Гейзенберг действительно рассказывал о своих идеях, а я просто никак на них не отреагировал и, таким образом, упустил счастливую возможность начать заниматься новой механикой» (Дирак, 1990, стр. 17).

Поль Дирак (слева) и Вернер Гейзенберг в США, июнь 1929 года
Поль Дирак (слева) и Вернер Гейзенберг в США, июнь 1929 года

Знакомство Дирака с результатами Гейзенберга, заложившими основу новой квантовой механики, произошло немного позже.

О своих результатах, полученных на Гельголанде и закрепленных в рукописи, отданной Борну для публикации, Вернер рассказал профессору Фаулеру уже у него дома, так как тот из-за своей лекции доклад не слышал. Профессор весьма заинтересовался и попросил прислать ему копию статьи, когда та будет готова. Эту просьбу Вернер выполнил через месяц, когда получил от редакции журнала два экземпляра верстки статьи для корректуры.

О первой поездке в Англию Гейзенберг сохранил на всю жизнь наилучшие воспоминания, ему понравилась и страна, и люди, с которыми он познакомился. В письме родителям 30 июля 1925 года он сообщает: «Тихие дворы и фонтаны, готические арки, розы и гвоздики, над всем этим разлит покой, которого в Германии в научной жизни нигде не найдешь, разве что в монастыре Бойрон (Beuron) 2, но на то он и монастырь. В жизни местных профессоров ощущается этот другой мир и не чувствуется ничего, что характерно для немецких университетов» (Heisenberg-Eltern, 2003, стр. 93).

Больше всего понравились Вернеру старые английские колледжи, где он «впервые понял, что наука может быть прекрасной, а не только интересной» (из письма Сэмюэлу Гаудсмиту из Кембриджа 28 июля 1925 года, Rechenberg, 2010, стр. 355). Древние обычаи тут живы, несмотря на то, что им уже сотни лет. Однажды он почувствовал себя неловко, когда пришел в обычном костюме на обед в старом зале одного колледжа и должен был сидеть между профессорами в длинных мантиях. С другой стороны, он рассказывал родителям, что научные доклады — и его собственный не исключение — проводятся «в небольших помещениях с камином, при этом люди сидят на полу, на ступенях или на подоконниках». Представление об англичанах как чопорных, сухих людях оказалось абсолютно неверным. Прием, который ему оказали в Кембридже, особенно внимание к нему в доме зятя Резерфорда, заложили основы многолетних дружеских и научных отношений с английскими коллегами. Показателен такой факт: в распоряжение молодого немецкого гостя была предоставлена автомашина Резерфорда с шофером. Вернер писал родителям: «Кстати, я езжу большей частью на машине Резерфорда (его здесь нет, он поехал в Австралию); я теперь редко хожу пешком. И в Лондон отсюда я поеду (послезавтра), скорее всего, на машине» (Heisenberg-Eltern, 2003, стр. 93–94).

Мало какой профессор в Германии пользовался такими привилегиями, как молодой доцент из Гёттингена в Кембридже.

Судьба неопубликованной рукописи

Из Англии Вернер Гейзенберг отправился прямиком на остров Рюген, где проходил всегерманский слет бойскаутов. Здесь он смог полностью отключиться от физики. В письме домой от 9 августа Вернер сообщает: «Собственно, я был бы рад урвать немного времени для сна, но вокруг столько прекрасного: купание, игры, чтение, пение, каждый день заполнен приключениями, хождениями под парусами, ночными купаниями в море, невозможно описать, как это всё прекрасно» (Heisenberg-Eltern, 2003, стр. 94).

Активный отдых на Балтике продолжался до 15 августа, затем Вернер поспешил в родной Мюнхен, чтобы встретиться с родителями и побродить по любимым баварским горам. Далее его путь лежал снова на север, сначала в Данциг, где 9 сентября состоялась физическая конференция, а потом в Копенгаген, там он должен был отработать в Институте Нильса Бора стипендию Рокфеллеровского фонда. В Гёттинген он больше не вернулся, но связь с коллегами не прервалась.

Слева направо: Виктор Вайскопф, Мария Гёпперт, Макс Борн в Гёттингене, 1920-е годы
Слева направо: Виктор Вайскопф, Мария Гёпперт, Макс Борн в Гёттингене, 1920-е годы

Еще в Мюнхене Вернер получил письмо от Макса Борна, в котором профессор сообщил ему, что продолжает исследования по квантовой механике и вместе со своим новым помощником Паскуалем Йорданом продвинулся в развитии идеи Гейзенберга, изложенной в ожидающей выхода в свет статье. Эта новость обрадовала молодого ученого, в ней он увидел подтверждение правильности своего подхода, в чем он все-таки немного сомневался. Конечно, он знал, что Борн одобрил результаты озарения на Гельголанде, так как шеф послал статью Гейзенберга «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» в журнал Zeitschrift für Physik в Мюнхене, и Вернер получил два экземпляра верстки статьи для корректуры. Но то, что профессор сам развивает это направление, говорило о перспективности его подхода.

Один экземпляр верстки своей статьи Гейзенберг вернул в редакцию журнала с исправлением ошибок, а второй, как обещал, отослал в Кембридж профессору Фаулеру, а тот передал ее своему ученику Полю Дираку с вопросом: «Как она вам?»

Паскуаль Йордан (1920-е годы). «Википедия»
Паскуаль Йордан (1920-е годы). «Википедия»

У Гейзенберга оставался только оригинал статьи, но и с ним он вскоре расстался: Макс Борн передал просьбу Йордана прислать экземпляр статьи для работы. Вернер выполнил просьбу Борна, но взамен хотел бы получить последние результаты совместной работы Борна и Йордана. В открытке, отправленной Паскуалю 20 августа, Гейзенберг писал: «От Борна я слышал, что вы добились большого прогресса в квантовой механике, и мне бы, естественно, хотелось больше узнать о ваших расчетах. По словам Борна, вы хотели получить верстку моей работы. Так как, к сожалению, версток у меня больше нет, я посылаю вам рукопись. Я был бы вам очень признателен, если бы вы могли мне в ближайшее время сообщить о ваших расчетах» (Rechenberg, 2010, стр. 356).

Спустя сорок с лишним лет Дирак вспоминал: «У меня была серьезная причина восхищаться Гейзенбергом. Он и я были студентами и исследователями в одно и то же время, мы с ним примерно одного возраста, и мы работали над одними и теми же вопросами. Гейзенберг имел успех там, где я провалился. К этому времени накопилось огромное число спектроскопических данных, и Гейзенберг нашел правильный путь, как их понять. Этим он открыл золотой век теоретической физики, и несколько лет спустя любому второсортному студенту было нетрудно получить первоклассные результаты» (Kleinknecht, 2017, стр. 88).

Вернер Гейзенберг (в центре) и Поль Дирак (слева) в Японии, 1929 год
Вернер Гейзенберг (в центре) и Поль Дирак (слева) в Японии, 1929 год

Получив текст статьи Гейзенберга, Поль Дирак стал искать подходящую математическую форму для нового подхода и вскоре построил непротиворечивую модель, описав ее в статье «Фундаментальные уравнения квантовой механики» (Dirac, 1925), вышедшей в свет 1 декабря того же 1925 года. Отвечая любезностью на любезность, Дирак послал Гейзенбергу верстку своей статьи, и тот «прочитал необыкновенно прекрасную работу о квантовой механике с огромным интересом» (Kleinknecht, 2017, стр. 95).

Заканчивая историческую статью «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений», Гейзенберг откровенно пишет о ее недостаточном математическом основании и выражает надежду, что более продвинутые в математике коллеги помогут исправить этот недостаток: «Можно ли метод определения квантовотеоретических данных на основе соотношений между наблюдаемыми величинами, подобный предложенному здесь, уже считать в принципе удовлетворительным, или же метод всё еще представляет собой слишком грубый подход к физической, с самого начала явно очень сложной проблеме квантовотеоретической механики, станет ясным только после глубокого математического исследования метода, примененного здесь лишь очень поверхностно» (Гейзенберг, 1977, стр. 586).

Можно сказать, что автору повезло: статья еще не успела выйти в свет, а он уже нашел в двух научных центрах — Гёттингене и Кембридже — последователей, успешно решивших мучавшую его проблему. Макс Борн и Паскуаль Йордан в Германии и Поль Дирак в Англии практически одновременно построили адекватный математический аппарат.

Евгений Беркович

Rechenberg Helmut. 2010. Werner Heisenberg — die Sprache der Atome. Gedruckt in zwei Bänder. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2010.

Дирак Поль. 1990. Воспоминания о необычайной эпохе. Сборник статей. Перевод с англ. Н. Я. Смородинской. Под редакцией и с послесловием Я. А. Смородинского. М.: Наука, 1990.

Heisenberg-Eltern. 2003. Werner Heisenberg. Liebe Eltern! Briefe aus kritischer Zeit 1918 bis 1945. Hrsg. von A. M. Hirsch-Heisenberg. München: Langer-Müller Verlag, 2003.

Kleinknecht Konrad. 2017. Einstein und Heisenberg. Begründer der modernen Physik. Stuttgart: Verlag W. Kohlhammer, 2017.

Dirac Paul. 1925. The Fundamental Equations of Quantum Mechanics. Proceedings of the Royal Society of London, Series A, Vol. 109, pp. 642–653. 1925.

Гейзенберг Вернер. 1977. О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений. Успехи физических наук, т. 122, с. 574–586. 1977.


1 Статья основана на материале, вошедшем в книгу «Альберт Эйнштейн и „революция вундеркиндов“» (Беркович, 2021).

2 Бенедиктинский монастырь на Верхнем Дунае в немецкой общине Бойрон в земле Баден-Вюртемберг.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (7 оценок, среднее: 4,86 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: