Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн

Дамур Тибо

Второй выдающийся результат Эйнштейна в 1924 г. касается сходства между светом и материей. Используя один из своих любимых теоретических методов, а именно метод термодинамических флуктуаций, Эйнштейн изучает флуктуации числа (квантовых) частиц материи, содержащихся в некотором элементарном объеме рассматриваемого газа. Этот анализ представляет собой обобщение того метода, который Эйнштейн применял в случае флуктуаций излучения черного тела. Он выводит, что данные флуктуации определяются суммой {130} двух членов. Первый из них хорошо известен и представляет собой обычную статистическую флуктуацию, ожидаемую в случае заданного количества классических частиц (т. е. рассматриваемых без учета квантовых эффектов). Второй член имеет иную природу, и Эйнштейн предлагает интерпретировать его «как вклад, учитывающий флуктуации, которые возникают в результате интерференции некоторого процесса излучения, специальным образом ассоциированного с рассматриваемым газом». Другими словами, применяя в обратном направлении логику, позволяющую считать свет (известный своими волновыми свойствами) обладающим корпускулярными свойствами (а именно, состоящим из световых квантов), Эйнштейн предлагает здесь считать частицы материи обладающими волновыми свойствами. Возможно, Эйнштейн пришел к этому выводу в сентябре {131} 1924 г. В конце ноября или в начале декабря 1924 г. он читает диссертацию Луи де Бройля, присланную ему Полем Ланжевеном, и понимает, что Луи де Бройль

уже предлагал (еще в 1923 г.) идею о необходимости ассоциировать «волновое поле с любой частицей материи».

130

Более точно, в сумму двух отдельных слагаемых раскладывается квадрат флуктуации.

131

Согласно Вольфгангу Паули, Эйнштейн предложил «искать существование явлений интерференции и дифракции для молекулярных пучков» в ходе конференции, проходившей в Инсбруке с 21 по 24 сентября 1924 г. Из писем, написанных Эйнштейном в декабре 1924 г. Ланжевену и Лоренцу и отражающих его энтузиазм от недавнего прочтения диссертации Луи де Бройля (защищенной в Париже 25 ноября 1924 г.), следует, что Эйнштейн узнал об идеях де Бройля касательно сходства поведения света и материи (датируемых 1923 г.) лишь в декабре 1924 г. Эйнштейн, таким образом, признал первенство де Бройля и сделал его основоположником идеи этого сходства, не настаивая на том, что сам он самостоятельно нашел указывавшие на него весомые аргументы. Заметим между тем, что Пейс в биографии Эйнштейна цитирует письмо, написанное ему Луи де Бройлем в 1978 г., в котором последний предполагает, что Ланжевен передал Эйнштейну копию его диссертации в начале весны 1924 г.

Таким образом, во второй статье, посвященной «квантовой теории идеального газа», завершенной в декабре 1924 г., Эйнштейн после объяснения термодинамических причин необходимости ассоциировать «процесс излучения c газом» частиц материи прямо упоминает «весьма примечательное» утверждение Луи де Бройля и далее выявляет необходимые волновые свойства, связанные с частицей материи. Это суть (a posteriori) естественное обобщение результатов Эйнштейна, касающихся световых квантов. Световую волну, обладающую частотой f, а следовательно, периодом колебания T = 1/f и длиной {132} L = cT, Эйнштейн связывает с частицей, обладающей энергией E = hf = h/T и несущей импульс p = hf/c = h/L. Что касается Луи де Бройля, то он, в свою очередь, предложил ассоциировать с любой частицей, обладающей энергией E и импульсом p, волну с периодом T и длиной L так, что выполняются условия {133} E = h/T и p = h/L.

132

Длину волны обычно обозначают буквой греческого алфавита лямбда. По (техническим) причинам, которые уже упоминались, мы предпочитаем использовать здесь латинскую L.

133

Второе уравнение (полученное в общем виде де Бройлем) является естественным следствием первого уравнения (Планка – Эйнштейна), если применить идеи специальной теории относительности (Эйнштейна). Заметим, что уравнение L = c, применимое к свету, не выполняется в случае более «массивной» материальной частицы.

Этой работой, написанной в декабре 1924 г., заканчивается список тех действительно гениальных достижений Эйнштейна, которые заложили основу трех величайших научных теорий – специальной теории относительности, общей теории относительности и квантовой теории – и тем самым определили суть развития физики XX в. Эйнштейн привнес также другие важные научные идеи (одни из которых начинают раскрываться лишь сейчас, а другие до сих пор остаются неосознанными), но стоит признать, что с 1925 г. он перестал быть центральной фигурой мировой теоретической физики. Тем не менее мы еще увидим скрытую важность его исследований, которыми он занимался остаток жизни.

Глава 6

Спор со Сфинксом

Меня не сильно радуют чудесные открытия последнего времени, поскольку я не вижу, чтобы они хоть как-то помогали мне разбираться с фундаментальными вопросами. Я чувствую себя ребенком, который никак не может выучить алфавит, хотя, как ни странно, я все еще не теряю надежду. В конце концов, мы имеем дело не с дамой приятной во всех отношениях, а с настоящим Сфинксом!

– Эйнштейн, письмо Максу фон Лауэ, 23 марта 1934 г.

Решающий разговор

Берлин, Германия, начало 1926 г.

В этот день в начале 1926 г. молодой Вернер Гейзенберг, входя в зал физических семинаров Берлинского университета, сильно волновался {134} . Ему было всего 24 года, когда его пригласили прочитать лекцию на тему недавно возникшей «новой квантовой механики». В последний раз лихорадочно просматривая свои записи, он видел, как весь цвет мирового физического сообщества рассаживается в первом ряду: Макс Планк, Вальтер Нернст, Макс фон Лауэ и др. Лица этих ученых, известных своими фундаментальными открытиями, были прямо-таки воплощением серьезности и строгой сосредоточенности германской академической жизни. Когда лекция уже должна была начаться, появился тот, кто вызывал у Гейзенберга наибольшее восхищение, работами которого он любовался с юношеского возраста, когда впервые открыл для себя общую теорию относительности в книге «Пространство, Время, Материя» {135} , и письма которого иногда зачитывал его профессор и научный руководитель в Мюнхене Арнольд Зоммерфельд в качестве иллюстраций к своему курсу. Альберт Эйнштейн вошел в зал и занял место в первом ряду, адресовав Гейзенбергу легкую улыбку, отчасти извиняясь за свое опоздание, отчасти ободряя молодого человека.

134

Изложение здесь идейно следует духу воспоминаний Вернера Гейзенберга, записанных много позже и изданных в его замечательной книге «Физика и философия. Часть и целое» (М.: Наука, 1990.)

135

Книга «Пространство, Время, Материя» математика Германа Вейля (Hermann Weyl, Espace, temps, mati`ere) была первой книгой по общей теории относительности. Первое издание вышло в 1918 г.

Набравшись уверенности, Гейзенберг приступил к описанию физических концепций и математического аппарата новой квантовой теории. В действительности за последние несколько месяцев с необычайной быстротой был разработан практически новый математический формализм, который, как ожидалось, должен был прийти на смену «старой» теории квантов, а точнее, на смену тому разрозненному набору противоречивых идей, появившихся между 1900 и 1924 гг. в результате попыток объяснить квантовую дискретность (существование этой дискретности становилось все более очевидным из анализа различных физических явлений). Открытие, положившее

начало теории квантов, – явная структура излучения черного тела – было сделано здесь же, в Берлине, благодаря исключительно точным измерениям Отто Люммера, Эрнста Принсгейма, Генриха Рубенса и Фердинанда Курльбаума, а также благодаря теоретическому «жесту отчаяния» Макса Планка. Но, конечно, больше всего показывали необходимость глубокого пересмотра физических основ ряд посвященных квантам работ Эйнштейна, выпущенных в период между 1905 г. и декабрем 1924 г. К тому же начиная с 1913 г. смелые теории Нильса Бора ясно говорили о том, как можно применять квантовые идеи в атомной физике.

Новый квантовый формализм, о котором рассказывал Гейзенберг, возник из идей Бора относительно структуры атомов и некоторых концепций, предложенных Эйнштейном в 1916 г. в связи с взаимодействием между атомом и электромагнитным излучением. Среди прочего Эйнштейн ввел коэффициенты A, измеряющие вероятность (в единицу времени), с которой атом, изначально находящийся в заданном (квантовом) «состоянии», может совершить «квантовый переход» в другое «состояние» с более низкой энергией с испусканием в произвольный момент времени и в произвольном направлении кванта света {136} . В исследование физики квантовых переходов Гейзенберга вовлекли его научный руководитель в Мюнхене Арнольд Зоммерфельд, а затем Макс Борн в Геттингене. В октябре 1923 г., после защиты диссертации в возрасте 22 лет, он стал ассистентом Борна и в 1923 и 1924 гг. работал под его руководством, изучая основные идеи и методы. В частности, он освоил использование новых коэффициентов a наряду с эйнштейновскими коэффициентами А, связанными с квантовыми переходами между двумя состояниями атома. Грубо говоря, новые коэффициенты а, называемые «амплитудами квантовых переходов» {137} , были таковы, что их квадраты равнялись эйнштейновским коэффициентам А.

136

Напомним, что в квантовой теории возможные энергии «состояний» атома образуют дискретный набор значений E₀, E₁, E₂, … Коэффициенты, которые Эйнштейн сопоставил квантовым переходам между состоянием с энергией E_m и состоянием с (меньшей) энергией E_n обозначаются A_nm. Здесь m и n – индексы, принимающие значения 0, 1, 2 и т. д. Если частоту испущенного света во время перехода между (скажем, для краткости) «состоянием m» и «состоянием n» обозначить f_nm, то энергия испущенного кванта будет E = hf_nm = E_m– E_n, а его импульс примет значение p = hf_nm/c.

137

Амплитуда a_nm, связанная с переходом между состоянием m и состоянием n, есть комплексное число (a_nm = x_nm + iy_nm, где i = (-1)), квадрат модуля которого (|a_nm|^2 = |x_nm|^2 + |y_nm|^2) пропорционален коэффициенту Эйнштейна A_nm того же самого перехода.

Основная идея, которая легла в основу новой квантовой теории, пришла Гейзенбергу в начале июня 1925 г., когда он поправлялся после обострения сенной лихорадки, пребывая на острове Гельголанд на севере Германии. Идея состояла в замене обычного понятия непрерывной траектории, описывающей возможное движение электрона {138} в атоме, набором амплитуд а, связанных с переходами между возможными квантовыми состояниями атома. Каждая амплитуда перехода определяется двумя числами: числом, фиксирующим начальное состояние энергии из дискретного набора возможных квантовых состояний атома, и числом, фиксирующим конечное состояние. Полный набор амплитуд, таким образом, аналогичен шахматной доске или таблице умножения {139} , каждая элементарная ячейка которой задается двумя числами: координатами по «горизонтали» и по «вертикали».

138

Как и Гейзенберг в своей первой статье, мы рассматриваем здесь для простоты атом лишь с одним электроном.

139

Борн вскоре понял, что «таблица» (комплексных) амплитуд a_nm, рассмотренная Гейзенбергом, является по сути тем, что математики называют «матрицей», поскольку правила вычислений, введенные для нее Гейзенбергом исходя из физического смысла, совпадают с правилами матричного исчисления. Заметим между тем, что в общем случае таблица амплитуд a_nm бесконечна.

Пока Гейзенберг объяснял мотивы, которые привели его к идее замены описания посредством непрерывных траекторий электрона в атоме на такие таблицы амплитуд переходов, он с беспокойством поглядывал в сторону Эйнштейна, пытаясь понять его реакцию на эти «колдовские таблицы умножения» {140} . Хотя ему и не удалось убедить Эйнштейна, его явно удалось заинтересовать, в особенности когда в конце выступления Гейзенберг заметил, что новые «правила умножения» для таблиц амплитуд, введенных им и развитых совместно с Максом Борном и Паскуалем Йорданом, позволили воспроизвести результат Эйнштейна, говоривший, что флуктуации энергии излучения, заключенного в некотором подобъеме, состоят из двух отдельных членов: первый связан с волновым характером излучения, а второй – с его корпускулярным характером {141} . Этот результат, заключил Гейзенберг, показывает, что новый квантовый формализм способен описывать одновременно как волновые, так и корпускулярный аспекты непрерывных полей (таких как электромагнитное поле).

140

Используя выражение Эйнштейна из письма, написанного Бессо 25 декабря 1925 г.

141

См. главу 5.

После семинара Эйнштейн подошел поздравить Гейзенберга с его выдающимися результатами и пригласил составить ему компанию на пути домой, чтобы подробнее обсудить нововведения, лежащие в основе нового формализма. По возвращении домой Эйнштейн попросил его еще раз уточнить физическую мотивацию, ведущую к идее замены непрерывных траекторий бесконечной таблицей амплитуд переходов.

Послушаем ключевую часть их диалога, воспроизведенную впоследствии самим Гейзенбергом {142} :

142

См. главу V из книги воспоминаний Гейзенберга, процитированной выше.