2025 год объявлен Международным годом квантовой науки и технологий (IYQ), а тогда, в 1924 году датские физики Бор, Хендрик Крамерс и Джон Слэтер предложили радикальную теорию (позже названную теорией БКС (BKS)), утверждая, что открытие "действующего кванта” может заставить нас отказаться от первого закона термодинамики: сохранения энергии. Эта идея быстро оказалась ошибочной, но она отражала кризис, с которым столкнулись физики того времени, и радикальные идеи, которые они были готовы рассмотреть для этой цели.
2025 год объявлен Международным годом квантовой науки и технологий (IYQ).
По случаю празднования 100-летия квантового прорыва Гейзенберга в 1925 году статья Бора помогает нам проследить, как разворачивалась квантовая революция. Эта попытка отражает ранние различия между Бором и Эйнштейном в квантовой области. Стоит отметить, что та точка зрения позже стала одна из наиболее вероятных альтернатив “копенгагенскому” объяснению квантовой механики.
Истоки кризиса.
Квантовый кризис начался с тех пор, как Планк предложил концепцию количественной оценки энергии в 1900 году. В 1905 году Эйнштейн использовал её для объяснения фотоэлектрического эффекта, утверждая, что свет состоит из "пакетов" электромагнитной энергии, или кубитов, которые теперь называются фотонами.
Резерфорд открыл ядро атома в 1909 году, а Бор предложил квантовую теорию атомов в 1912 году. В модели Бора электроны, окружающие ядро, ограничены определенными орбитами с квантованной энергией. Электроны могут “переходить” с одной орбиты на другую, поглощая или испуская фотоны определенной энергии. Вообще эта гипотеза не имеет теоретической основы, но можно предсказать спектр атомов водорода. Таким образом эта работа принесла Бору Нобелевскую премию по физике в 1922 году.
Институт теоретической физики в Копенгагене.
В 1917 году Бор основал Институт теоретической физики в Копенгагене с целью поиска истинной квантовой теории. Она была призвана заменить классическую физику Ньютона в атомном масштабе.
Когда то квантовая теория была передовой областью физики, а молодые ученые больше всего стремились к трем исследовательским группам: Зоммерфельд в Мюнхене, Борн в Геттингене и Бор в Копенгагене.
Стоит сейчас упомянуть учёного, который сыграет немаловажную роль. Голландский физик Хендрик Антони Крамерс поначалу надеялся получить докторскую степень в Боне, но начало Первой мировой войны в 1916 году вынудило его выбрать политически нейтральную Данию и стать ассистентом Бора. Крамерс был ответственный за работу со сложной математикой (это не является сильной стороной Бора), в то время как Бор обеспечивал идеологический, философский и академический престиж. В течение следующих десяти лет Крамерс изучал множество проблем - от химической физики до чистой математики. Мы ещё к нему вернёмся, позже. А пока..
Безрассудный и агрессивный.
В начале 1920-х годов Бор и его копенгагенская школа приложили большие усилия, однако теорию электронных орбит так и не удалось привести в полное соответствие с экспериментально наблюдаемыми атомными спектрами. Бор и другие ученые, включая Гейзенберга, начали выдвигать почти безрассудную гипотезу: возможно, в квантовой системе, подобной атому, следует полностью отказаться от создания любого интуитивного физического образа.
Некоторые ученые (например, Эйнштейн) считали эту идею отчаянной или даже безумной. В конце концов, одна из главных целей науки — описывать мир через «движение объектов в пространстве». Если отказаться от этого, что тогда останется науке?
Противоречивые идеи.
У Эйнштейна и Бора рано или поздно возникли разногласия по базовым концепциям квантовой механики, которые переросли в научную полемику, длившуюся всю их жизнь.
Однако ситуация была ещё сложнее. Во-первых, квантовые переходы по Бору должны были происходить мгновенно, тогда как в классической физике все процессы непрерывны. Некоторые учёные, например Шрёдингер, считали, что скачкообразный характер таких переходов абсурден.
Что ещё важнее, хотя старая квантовая теория описывала изменения энергии при переходах, она не могла объяснить момент их возникновения. Никакие причинно-следственные связи не предопределяли эти скачки.
Как писал Гейзенберг (43: 172):
Квантовая теория «провозглашает окончательный отказ от причинности».
Этот конфликт был не единственным между копенгагенской школой и Эйнштейном. Бор критически относился к концепции светового кванта. Хотя она успешно объясняла фотоэлектрический эффект, он настаивал, что свет по своей природе волновой, а «фотоны» — всего лишь удобная абстракция, а не реальные физические объекты.
В 1924 году де Бройль выдвинул ещё более радикальную идею: частицы, такие как электроны, могут проявлять волновые свойства. Эйнштейну эта гипотеза показалась слишком смелой, но он быстро признал её потенциал.
Плыть по течению. Теория БКС (Бор—Крамерс—Слэтер).
1923 год. Перед Рождеством Джон Слэтер приехал в Копенгаген со смелой идеей:
«У меня есть многообещающая гипотеза о природе света. Возможно, он сочетает свойства волны и частицы, как предполагал Эйнштейн. Я считаю, что волны и частицы сосуществуют, причём волны направляют движение частиц, заставляя их двигаться синхронно».
Эти направляющие волны, по его замыслу, формируют «виртуальное поле», которое пронизывает систему и управляет траекториями частиц.
Хотя сама идея Слэтера не убедила Бора, концепция виртуального поля заинтересовала его. Уже через несколько месяцев Бор совместно с Джоном Слэтером и Крамерсом подготовил статью, опубликованную в мае 1924 года (журнал Philosophical Magazine, том 47, № 281, с. 785). В работе излагалась теория, позже названная теорией БКС (Бор—Крамерс—Слэтер).
Согласно теории БКС, возбуждённый атом способен «предварительно» излучать свет через взаимодействие с виртуальным полем. Это поле обеспечивает непрерывную связь с другими атомами в системе, а сам квант света излучается не спонтанно, а под влиянием поля. Такой подход решал ключевую проблему: как атом «выбирает» частоту излучения при переходе между энергетическими уровнями? Виртуальное поле, по мнению авторов, позволяло атому «ощущать» все возможные состояния системы.
Однако теория столкнулась с критикой.
- Во-первых, она предполагала мгновенное взаимодействие излучающего атома с окружающей средой, что нарушало принцип причинности.
- Во-вторых, в рамках БКС отвергалась строгая причинно-следственная связь между событиями.
- Наконец, теория допускала временные нарушения законов сохранения энергии и импульса, что противоречило основам классической физики.
Причинность и закон сохранения. Разве законы сохранения не были экспериментально подтверждены?
В 1923 году американский физик Артур Комптон продемонстрировал, что при рассеянии света на электронах происходит обмен энергией: частота света уменьшается, так как часть энергии передаётся электронам. Результаты его экспериментов согласовывались с квантовой теорией, согласно которой фотоны сталкиваются с электронами, сохраняя энергию и импульс системы.
Однако теория БКС (Бора—Крамерса—Слэтера) утверждала, что сохранение энергии и импульса имеет статистический характер. Это означает, что законы выполняются в среднем для множества событий, но могут нарушаться в отдельных актах взаимодействия. Авторы проводили аналогию со вторым законом термодинамики: рост энтропии — статистическое явление, не ограничивающее поведение каждой частицы в отдельности.
Такие радикальные взгляды вызвали противоречивую реакцию в научном сообществе. Эйнштейн отвергал эту идею:
«Отказ от причинности допустим лишь в самых исключительных случаях».
Паули категорически выступал против теории, тогда как Борн и Шрёдингер проявили к ней интерес.
Эксперимент как критерий истины.
Нарушаются ли законы сохранения в отдельных взаимодействиях? В начале 1925 года немецкие физики Вальтер Боте и Ганс Гейгер провели усовершенствованный вариант эксперимента Комптона, изучая рассеяние рентгеновских лучей на электронах. Прочитав работу БКС, Боте заявил:
«Эту проблему можно решить только экспериментально, чтобы добиться ясности».
Арбитр-экспериментатор.
Немецкие физики Вальтер Боте и Ганс Гейгер экспериментально проверили теорию БКС (Бора—Крамерса—Слэттери). Чтобы исследовать сохранение энергии на микроскопическом уровне, они изучили рассеяние рентгеновских лучей на электронах.
Гейгер поддержал идею, и учёные разработали экспериментальную схему с двумя детекторами: один регистрировал рассеянные электроны, другой — фотоны. Если причинно-следственная связь и законы сохранения выполняются, сигналы детекторов должны быть синхронными; любая задержка указывала бы на нарушение этих принципов.
В апреле 1925 года Боте и Гейгер сообщили о результатах: сигналы от электронов и фотонов совпадали с точностью до миллисекунды. Это стало убедительным доказательством верности подхода Комптона, основанного на строгом сохранении энергии и импульса.
Сам Комптон, совместно с Альфредом Саймоном, провёл дополнительные эксперименты с камерой Вильсона, подтвердившие сохранение энергии и импульса (журнал Physical Review, 1925, том 26, с. 289).
Революционный провал...
За эту работу Вальтер Боте получил Нобелевскую премию по физике в 1954 году. Бор спокойно принял неудачу теории БКС, и всего через несколько месяцев Гейзенберг предложил первую корректную версию квантовой механики, позже названную матричной механикой.
Хотя теория БКС оказалась ошибочной, вдохновлённый ею эксперимент Боте—Гейгера стал не только важной вехой в ранней физике элементарных частиц, но и ключевым фактором в формировании новых подходов. Аргументация Гейзенберга, включая матричную механику (и волновую динамику Шрёдингера, предложенную в 1926 году), подчеркивала: вероятностные характеристики квантовых систем нельзя сводить к статистическим поправкам, как в классической механике.
Радикальный подход.
Хотя теория БКС (Бора—Крамерса—Слэтера) быстро потерпела крах, она продемонстрировала принципиальную невозможность применения классических концепций к квантовой реальности.
Вероятности в теориях Гейзенберга и Шрёдингера относятся к отдельным событиям. Как подчёркивал Гейзенберг, они отражают фундаментальные свойства поведения каждой частицы, а не усреднённые закономерности. В последующие годы Бор и Гейзенберг пришли к выводу, что новая квантовая механика действительно отвергает классический принцип причинности.
При участии Борна, Паули и других учёных они сформулировали тезис: «Объяснить невозможно» — который стал доминирующей парадигмой квантовой физики XX века.
Разорванные отношения.
От результатов размышлений Слэтера, которые он привёз в Копенгаген, Бор был в бешенстве. Столкнувшись с давлением со стороны Бора и Крамерса, он вынужден был пойти на компромисс. Вспоминая это время в Дании, он признался, что был в глубокой депрессий. Когда теория БКС была опровергнута экспериментами, Бор написал Слэтеру:
«Я сожалею, что убедил вас принять нашу точку зрения».
Слэтер ответил, что извинения не требуются. Однако в интервью 1963 года он признался:
«Я полностью прекратил общение с Бором… Серьёзные разногласия с ним и Крамерсом лишили меня уважения к ним. В Копенгагене я пережил крайне тяжёлый период».
Возможно, Джона Слэтера можно понять: его идея «направляющей волны» развивалась без должного признания. Сегодня эту интерпретацию квантовой теории обычно связывают с де Бройлем (который предложил схожую концепцию в 1924 году) и американским физиком Дэвидом Бомом, доработавшим её в 1950-х. Теория де Бройля—Бома дважды отвергалась при жизни авторов, но в последние десятилетия набирает сторонников, особенно благодаря аналогии с гидродинамикой — движением капель жидкости под воздействием волн на поверхности.
Независимо от того, является ли теория направляющих волн верной интерпретацией квантовой механики, она затрагивает фундаментальный философский вопрос: можем ли мы, вопреки позиции Бора и Гейзенберга, восстановить объективную реальность отдельных частиц через скрытые параметры, как настаивал Эйнштейн? Возможно, Джон Слэтер испытал бы некоторое облегчение, узнав, что интерпретация квантовой механики до сих пор остаётся предметом дискуссий, а Бор так и не одержал окончательной победы.
Ключевые персоны:
- Нильс Бор (основатель копенгагенской школы, автор теории БКС, Нобелевская премия 1922 г.).
- Хендрик Крамерс (голландский физик, соавтор теории БКС, математик группы Бора).
- Джон Слэтер (американский физик, соавтор теории БКС, автор идеи «виртуального поля»).
- Альберт Эйнштейн (критик теории БКС, оппонент Бора в вопросах причинности и реализма).
- Вернер Гейзенберг (автор матричной механики, сторонник отказа от классических представлений).
- Артур Комптон (экспериментальное подтверждение сохранения энергии в квантовых процессах).
- Вальтер Боте и Ганс Гейгер (экспериментальное опровержение теории БКС).
- Эрвин Шрёдингер (критик скачкообразных квантовых переходов, автор волновой механики).
- Луи де Бройль и Дэвид Бом (теория направляющих волн, альтернативная интерпретация квантовой механики).