Дэвид Бом: «белая ворона» в физике и в жизни

Герой нашего очерка родился в 1917 году в Пенсильвании, в семье еврейских эмигрантов: отец его был родом из закарпатского города Мука́чево (ныне Украина), а мать — из Литвы. У отца был довольно успешный мебельный магазин, так что семья не бедствовала. Ни о каких науках в доме и речи не шло.

Средняя школа показалась юному Дэвиду очень скучной, но учился он хорошо, так что позднее его учитель физики сказал, что из всех, кого он учил, Бом был самым способным.

Интерес к науке возник, когда десятилетний Дэвид увлекся научной фантастикой. Он залпом проглотил классиков — Эдгара По, Жюля Верна и Герберта Уэллса. Тогда же он стал интересоваться астрономией, но чисто теоретически. Лет с 12 начался период увлечения электрическими явлениями — он изучал периодическую таблицу элементов, чтобы определить, какие из них имеют наибольшую химическую активность для производства максимума энергии.

Отец не одобрял увлечений сына, но и не мешал им. Он искренне не мог понять, как сын собирается зарабатывать на жизнь наукой, в насмешку называя ее «ученизмом». Однако поступлению сына в колледж для изучения физики не возражал. По окончания колледжа Бом получил стипендию в 600 долл. и право поступления в любой университет США. Он выбрал Калтех, Калифорнийский технологический институт.

Там ему совсем не понравилось — на его вкус там было слишком много разных курсов и основное внимание уделялось решению абстрактных задач, часто просто для процесса их решения. Не то, чтобы ему это было трудно, — напротив, решал он их настолько хорошо, что часто ассистенты использовали именно его решения, но всё равно не нравилось, что остается мало времени для размышлений.

На втором курсе он занялся рассеянием света в газах, но аналитическое решение найти не смог, а заниматься долгими вычислениями ему не улыбалось. Тогда он решил заняться чем-то другим, и по совету коллеги обратился к Роберту Оппенгеймеру. Это было в 1941 году.

В Беркли вокруг Оппи сложилась очень активная группа молодежи, что очень устраивало Бома. По совету руководителя он занялся протон-дейтронным рассеянием, что должно было стать темой его диссертации. Ему удалось получить весьма важные результаты, но работа не была опубликована, более того, она была сразу же засекречена, так что PhD он получил в 1943 году даже без защиты диссертации.

Как известно, Оппенгеймер был назначен руководителем атомного проекта в Лос-Аламосе. Многие из группы последовали за ним. Но некоторые не получили допуск к секретным работам от спецслужб. Бому заявили, что у него слишком много родственников в Европе. Как позднее выяснилось, почти все они погибли в концлагерях.

В кружке Оппи говорили не только о науке, обсуждалась и общеполитическая обстановка, причем с весьма левых позиций. В результате Бом стал изучать марксизм. Ему не очень нравилось осуществление идей коммунизма на практике, в частности, сталинские показательные процессы, пакт Молотова — Риббентропа и подчинение индивида коллективу. Это же он ставил в упрек и Карлу Марксу, который, по его мнению, предавал чересчур много внимания экономике в ущерб анализу отношений личности и общества. Зато Гегель его восхитил, в особенности своей идеей единства противоположностей, а также мыслью о том, что природа едина.

В результате в ноябре 1942 года Бом стал членом компартии США, но вышел из нее менее чем через год из-за, по его словам, «постоянной грызни функционеров, стремившихся забраться на должность повыше».

В августе 1943 года в Беркли прибыла группа англичан для работы в радиационной лаборатории. Среди них был и Морис Уилкинс, удостоенный позднее вместе с Уотсоном и Криком Нобелевской премии за определение структуры ДНК. Группа занималась ионизацией гексафторида урана с последующим использованием циклотрона как масс-спектрометра для разделения изотопов. Выход был очень низким, так что на практике такой процесс применения не нашел.

Затем Бом занялся изучением свойств ионов, получаемых в результате дугового разряда, и их поведения во внешнем магнитном поле. В атомном проекте эти исследования не пригодились, но стали основой для дальнейших исследований плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Однако само исследование заставило Бома задуматься над поведением пятого состояния вещества.

«Упорядоченность в плазме совсем не похожа на то, что наблюдается в движении жидкости, где скорости каждой частицы связаны с их локальным средним значением. В плазме средняя локальная скорость значения не имеет, поскольку она непосредственно не связана с какими-либо силами. Не важна даже средняя локальная плотность. Таким образом, движение плазмы проявляется лишь на больших расстояниях, тогда как локально она практически не отличается от идеального газа», — писал Бом.

Это наблюдение произвело сильное впечатление на ученого: каждый электрон вроде бы был свободен, но в то же время из-за дальнодействующей силы его поведение слегка меняется, и эти небольшие изменения в свою очередь ведут к дальнодействующему коллективному движению. Для Бома здесь явно прослеживалась аналогия с индивидами в обществе, где каждый независимо действует в своих интересах, но тем не менее в обществе как-то возникают и закрепляются определенные тенденции и пути развития. Эти мысли тревожили ученого всю жизнь.

Потом Бом полгода проработал с Оппенгеймером, занимаясь сверхпроводимостью и квантовой электродинамикой, где предложил свой способ устранения возникавших там бесконечностей. Однако рецензенты отвергли эту работу, хотя потом некоторые признавали, что в ней содержались зачатки теории, за которую позднее Фейнман, Швингер и Томонага получили Нобелевскую премию. Подход Бома к этой и другим проблемам настолько впечатлил Джона Уилера, что он предложил Дэвиду должность ассистента профессора в Принстонском университете.

В Принстоне Бом работал очень успешно. Он продолжал заниматься физикой плазмы и применил некоторые взятые оттуда приемы к проводимости электронов в металлах и их коллективному поведению. Тогда же, в 1947 году, он приступил к чтению лекций по квантовой теории и электродинамике.

На основе этих лекций в 1951 году он опубликовал учебник¹, памятуя о том, что это лучший способ разобраться в какой-нибудь теме. Книга оказалась настолько удачной, что переиздается по сей день. Тогда ее оценил и Эйнштейн, работавший в Институте перспективных исследований. Он позвонил Бому и пригласил его на беседу, в ходе которой сказал, что это было, пожалуй, лучшее известное ему изложение взглядов Нильса Бора и его школы с ее так называемой копенгагенской интерпретацией квантовой теории. Однако и она не смогла повлиять на его убеждения в том, что квантовая механика, несмотря на все свои успехи, неполна.

Казалось бы, всё для Бома складывалось неплохо, но тут в США грянула эпоха маккартизма. Бому припомнили его левые взгляды, недолгое членство в компартии и в 1948 году предъявили обвинение в антиамериканской деятельности. В те времена членство в компартии считалось преступлением, так что последствия для Бома могли быть весьма серьезны. Проконсультировавшись с адвокатами, он решил прибегнуть к пятой поправке к Конституции США, которая позволяла обвиняемому не давать показаний, которые могли бы быть использованы против него. От него вроде бы отстали, но с началом Корейской войны волна антикоммунизма поднялась с новой силой, и в 1949 году Бома снова вызвали в суд. На этот раз апелляция к пятой поправке не помогла — его задержали и отправили в тюрьму; правда, вскоре освободили под залог в 1,5 тыс. долл. Тут же пришло письмо из Принстонского университета, извещавшее о том, что он освобожден от своих обязанностей и больше никогда не должен переступать порог университета. Однако зарплату ему продолжали платить, так как он был на краткосрочном контракте.

В июне 1950 года Бом предстал перед судом в Вашингтоне, где снова отказался от дачи показаний, ссылаясь на пятую поправку, и в конце концов был оправдан. На его счастье Верховный суд постановил, что в случаях, аналогичных случаю Бома, ссылка на пятую поправку допустима. Это и послужило причиной его оправдания, причем за всё время этих судебных разбирательств никаких конкретных обвинений ему предъявлено не было.

Эйнштейн хотел взять Бома себе в ассистенты, но этому воспротивился Роберт Оппенгеймер, ставший к тому времени руководителем Института перспективных исследований, где работал Эйнштейн. Оппи и сам прошел через чистилища судов маккартизма и, несмотря на все свои заслуги, был лишен допуска к секретным работам. Но институт в Принстоне ему возглавить всё же позволили.

Оппенгеймер понимал, что его заслуги в атомном проекте все-таки зачлись и с ним обошлись не слишком сурово, а вот Бому в США грозили большие неприятности. Главное, что он вряд ли смог бы где-то найти работу по специальности. Его кандидатуру просто не стали бы даже рассматривать. Тогда Бом решил переехать в Бразилию. По протекции работавших в Принстоне бразильских физиков Бому удалось в 1951 году занять должность профессора в Университете Сан-Пауло. Помогли и рекомендации Эйнштейна и Оппенгеймера.

Едва Бом обосновался в Бразилии, как к нему явились американские официальные лица и отобрали у него паспорт гражданина США. Оставшись без гражданства и без паспорта, ученый не мог никуда выехать из страны. Так началась его ссылка, длившаяся много лет.

Несмотря на эту жуткую нервотрепку, Бому всё же удавалось успешно заниматься физикой. В 1952 году он опубликовал две работы, в которых предложил интерпретацию квантовой механики, альтернативную копенгагенской. Еще во время чтения лекций в Принстонском университете ученому стала приходить в голову мысль, что декларируемый копенгагенской школой индетерминизм квантовой механики можно заменить полностью детерминистской теорией. Бом стал сомневаться, можно ли говорить о механике, если в ортодоксальной интерпретации у частицы нет траектории, а есть лишь вероятность ее обнаружения в той или иной точке пространства. Однажды он даже заявил, что термин «квантовая механика» вводит в заблуждение — скорее эту теорию следовало бы называть «квантовая НЕ-механика».

За время пребывания в Бразилии (где Бому не очень нравилось, ведь это была научная провинция, и обучение физике происходило догматически, в основном заучиванием наизусть формулировок и решением многочисленных задач, не имевших практического значения) ученому всё же удалось обратить в свою веру некоторых студентов. И вот что из этого вышло.

В качестве темы своей диссертации в 1967 году бразильский аспирант взял развитие идей Бома в квантовой механике и разослал препринт своей работы нескольким коллегам. Вскоре его отец, тоже физик, получил письмо от приятеля по имени Отто Фриш, человека в физике очень известного — незадолго до Второй мировой войны вместе со своей тетушкой Элизабет Мейтнер он установил, что ядро урана может делиться при бомбардировке нейтронами, и оценил примерный выход энергии.

Так вот, Отто Фриш писал в Бразилию, что на карту поставлено нечто большее, чем физика. Ортодоксальная копенгагенская интерпретация утверждает, что физика занимается измерениями, а не объектами: «Это смахивает на идеализм, а потому отвергается коммунистами. Справедливо также обратное — все, кто на Западе сомневается в ортодоксальной интерпретации, пусть и по объективным причинам, подозреваются в коммунистических взглядах». Защититься аспиранту всё же удалось, несмотря на то, что его руководитель на защиту приходить отказался. Недавно он написал подробную биографию Дэвида Бома², откуда и почерпнуты приведенные выше сведения.

Фримен Дайсон писал: «Изучая и преподавая квантовую механику, я заметил, что ее освоение можно разбить на три этапа. Студенты начинают с азов ремесла. На то, чтобы освоить нужную математику и научиться ей пользоваться, уходит около шести месяцев. Это первая стадия освоения квантовой механики, и она проходит довольно безболезненно. Вторая стадия наступает, когда студенты начинают беспокоиться, поскольку не понимают, что же они делают. Их беспокойство вызвано тем, что в их головах нет четкой физической картины. Они теряются, пытаясь найти физическое объяснение математическим приемам, которым их обучили. Они очень стараются и отчаиваются оттого, что не могут мыслить ясно. Вторая стадия тоже длится месяцев шесть или больше. Она трудна и малоприятна. А потом неожиданно наступает третья стадия. Внезапно студенты говорят себе: „Я понимаю квантовую механику“, или, скорее, „Я теперь понимаю, что там нечего понимать“. Происходит следующее: они научились непосредственно и подсознательно мыслить на квантовомеханическом языке».

Но такой подход удовлетворяет не всех, они не хотят считать, что в квантовой механике понимать нечего. Для них такой подход равносилен требованию: «Заткнись и вычисляй». Долгое время это изречение приписывалось острому на язык Ричарду Фейнману, пока Дэвид Мермин, другой американский физик, не обнаружил, что оно принадлежит ему самому. Он объяснил это эффектом Матфея³: достижения и мудрые мысли других людей часто приписываются наиболее известным в своей области личностям. Название эффекту автор статьи дал по тексту Евангелия от Матфея 25:29: «ибо всякому имеющему дастся и приумножится, а у неимеющего отнимется и то, что имеет».

Здесь не место вдаваться в тонкости подхода Бома и его отличий от ортодоксальной боровской интерпретации. Достаточно упомянуть, что концепция «волны-пилота», развивавшаяся Бомом по следам Луи де Бройля, подвергалась упорному замалчиванию. Российский исследователь в недавней статье цитирует крупнейшего специалиста в квантовой теории англичанина Джона Белла. «…Эта [Бома] интерпретация квантовой механики была восторженно принята таким гигантом „квантовой мысли“, как Джон Белл. „Почему люди приводят доказательства ее невозможности после 1952 года и даже в 1978 году? Даже Паули, Розенфельд и Гейзенберг не смогли критиковать бомовскую версию более содержательно, чем обозвав ее „метафизической“ и „идеологической“? Почему представление о волне-пилоте игнорируется в учебниках?“»⁴ Как видно, идеи Бома вызывают интерес и споры по сей день.

Но пора вернуться к краткому жизнеописанию Дэвида Бома. В Бразилии он пробыл лишь четыре года и уехал сразу после того, как получил тамошний паспорт. Ему предложили профессорский пост в Технионе, Израильском технологическом институте в Хайфе. Но и там он долго не задержался и в 1957 году перебрался в Бристоль, где получил пятилетний преподавательский контракт в местном университете. Вместе с ним приехали два израильских аспиранта, с одним из которых он теоретически открыл квантовый эффект Ааронова — Бома. По поводу этого широко сейчас обсуждаемого эффекта Виктор Вайскопф как-то сказал: «На первый взгляд кажется, что он неверен, а на второй — что он очевиден».

В Бристоле Бом тоже проработал всего четыре года, после чего принял предложение возглавить кафедру теоретической физике в колледже Биркбек, части Лондонского университета, где и проработал до выхода на пенсию в 1983 году.

В эти годы Бом стал приводить в порядок свои мысли о единстве всего происходящего во Вселенной. Он предложил голографическую модель Вселенной, из которой следовало, что отдельные личности в обществе действуют так или иначе не только из-за взаимодействий друг с другом, но и под влиянием неких фундаментальных законов. Он полагал, что всё на свете, включая сознание, влияет на Вселенную в целом, а уж это целое потом влияет на свои составляющие. И человека с такими взглядами обвиняли в материализме!

Голографической он назвал свою модель потому, что, по его представлению, каждый участок нашего пространства и времени содержит в себе информацию обо всём — о настоящем, прошлом и будущем, как каждый участок голограммы содержит в себе изображение всего объекта.

На склоне лет британские ученые удостоили Бома своей высшей награды — в 1990 году его избрали членом Королевского общества. Но долго пребывать в этом звании ему не пришлось. Дэвид Бом скончался от сердечного приступа 27 октября 1992 года, в возрасте 74 лет.

Виталий Мацарский

¹ Бом Д. Квантовая теория. М.: Физматлит, 1961.

² Freire O. Jr. David Bohm: A Life Dedicated to Understanding the Quantum World. Springer, 2019.

³ Merton R.K. The Matthew Effect in Science // Science, vol. 159, 5 January 1968.

⁴ Белинский А. В. Концепция «волны-пилота» Дэвида Бома // УФН, том 189, № 12, 2019.