Революция в микромире. Планк. Квантовая теория
Шрифт:
Точность х, с которой можно измерить положение х частицы, и точность р, с которой можно измерить ее импульс, не являются независимыми.
Гейзенберг, принцип неопределенности
Ключевым элементом в дискуссии был принцип неопределенности, сформулированный Гейзенбергом в 1927 году.
В то время Гейзенберг работал в Копенгагене с Бором, с которым поддерживал тесные дружеские отношения. Статья, в которой был представлен принцип неопределенности, называлась «О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики», в ней этот принцип выводился из одного из фундаментальных выражений матричной механики.
В этой же статье Гейзенберг для объяснения принципа предлагал несколько мысленных экспериментов.
Следствием
Мысленные эксперименты для отношений неопределенности
Принцип Гейзенберга звучит так: точность , с которой можно измерить положение х частицы, и точность , с которой можно измерить ее импульс, должны соответствовать следующему неравенству:
x >= h/4.
В статье 1927 года Вернер Гейзенберг предлагает несколько мысленных экспериментов, которые приводят к соотношению неопределенностей. Наиболее известен из них следующий. Если мы хотим измерить положение микроскопической частицы, то должны осветить ее и наблюдать за ней, например с помощью микроскопа. При этом полученное решение, описывающее положение частицы в пространстве, не может быть менее длины волны света, использованного для освещения частицы, то есть:
x~.
Так как свет проявляет такие же свойства, как будто бы сам состоит из частиц, он несет импульс, равный p = hv/c=h/. Неизвестная доля импульса передастся частице при столкновении, отсюда:
~ h/ = h
Из этого следует, что сам факт наблюдения за частицей выводит ее из равновесия, приводя к неопределенности в измерениях.
Принцип неопределенности означает, что сам факт наблюдения за частицей возбуждает ее, вызывая неопределенность в измерениях. Это так, поскольку акт измерения подразумевает взаимодействие наблюдателя и наблюдаемой частицы, например между частицей и фотонами света, которыми мы пользуемся для освещения и наблюдения. Хотя в классической физике также утверждается, что измерение возбуждает наблюдаемую систему, теоретически возможно представить систему, в которой возбуждение будет все более незначительным. Мы можем представить все более слабое освещение, которое сведет возбуждение к необходимому минимуму. Но квантовая гипотеза препятствует этому, поскольку минимальная порция света, которую мы можем направить на частицу, равна кванту — дискретной величине.
Планк, Эйнштейн и евреи в нацистской Германии
Антисемитизм был широко распространен в Европе с начала XX века. Сам Эйнштейн, когда жил в Берне, в Швейцарии, был объектом расистских замечаний. Во внутренней записке Цюрихского университета, помимо перечисления его заслуг для должности профессора, мы читаем:
«Герр доктор Эйнштейн еврей, и именно евреям приписывается (во многих случаях небезосновательно) много неприятных особенностей характера: вмешательство в чужие дела, наглость, образ мыслей хозяина лавки при исполнении академической функции. Нужно сказать, что в том числе среди евреев есть люди, совсем не афиширующие свои неприятные особенности».
К счастью, в записке уточняется, что для университета
В нацистской Германии антисемитизм граничил с коллективным помешательством. В последнее десятилетие, еще до прихода нацистов к власти в 1933 году, давление на немецких евреев значительно усилилось. Среди физиков знаменосцами антисемитизма были Йоханнес Штарк и Филипп Ленард. Оба ученых были прекрасными физиками-экспериментаторами и получили нобелевские премии (Ленард — в 1905 году, а Штарк — в 1919). В 1920-х годах они стали еще более радикальными, в том числе и преследуя свои цели во внутренней борьбе в лоне немецкой науки. Планк, занимавший должность постоянного секретаря Прусской академии наук и председателя Общества кайзера Вильгельма, как бывший ректор Берлинского университета, член множества комитетов и научных обществ был одним из основных деятелей немецкой науки 1920-30-х годов и не мог не участвовать в этой борьбе.
Это гнездо крыс, разлагающее науку.
Немецкие интеллектуалы-нацисты о тех, кто поддерживал и преподавал идеи Эйнштейна
Вмешательство Планка было связано с защитой фундаментальной науки как гаранта прогресса, особенно страстно он защищал теоретическую физику и поддерживал важнейших физиков-теоретиков той эпохи: Гейзенберга, Лауэ, Шрёдингера и, конечно, Эйнштейна. Штарк и Ленард в течение двух десятилетий плели интриги, чтобы снизить влияние Планка и его «теоретиков». В частности, атаки на Эйнштейна хотя и были вызваны его еврейским происхождением, также преследовали и другие политические цели — ослабить позиции Планка и его окружения. В начале 1920-х годов отдельные группы немецких интеллектуалов, поддерживаемые Штарком и Ленардом, стали называть теорию относительности «еврейской наукой», а Эйнштейна подвергать остракизму.
Планк общался с величайшими учеными своей эпохи, среди них был и Альберт Эйнштейн. На фотографии Планк с Эйнштейном 28 июля 1929 года в день первого награждения медалями Макса Планка, которых оба были удостоены.
Нильс Бор с Планком в Копенгагене в 1930 году.
В 1922 году Планк как председатель Немецкого общества естествоиспытателей и врачей пригласил Эйнштейна прочесть лекцию о теории относительности на ежегодном собрании общества. Таким образом он хотел поддержать ученого и его теории, однако лекция не состоялась: 24 июня был убит Вальтер Ратенау, министр иностранных дел республики и близкий друг Эйнштейна. Ратенау имел еврейское происхождение, а преступление совершила группа военных ультранационалистов (Гитлер после прихода к власти приказал установить им памятник). Планк попросил выступить Макса фон Лауэ, и лекция не обошлась без нацистской пропаганды. Как вспоминал Гейзенберг, на входе в зал группа активистов раздавала листовки, подписанные Ленардом, в которых говорилось, что теория относительности является домыслом еврейской прессы и чужда немецкому духу.
Когда нацисты пришли к власти, борьба приняла еще более ожесточенный характер. Во время прихода к власти Гитлера Эйнштейн находился в США и решил не возвращаться в Германию. Но атаки нацистов на него не прекращались: нацистский министр культуры и образования направил в Академию наук запрос об исключении из нее Эйнштейна, хотя тот и был, без сомнений, самым выдающимся ее членом. Так началось трудное существование Планка с нацистским режимом. Ученый всегда был консерватором, немцем до мозга костей, а в молодости даже проповедовал националистические и монархические идеи. В силу этого от него невозможно было ожидать открытого сопротивления режиму. При этом Планк осознавал, что нацисты обходились с евреями несправедливо, понимал опасность, которую представляет для науки расистская политика дискриминации. Не только Эйнштейн, но и Лиза Мейтнер, и Макс Борн имели еврейское происхождение. При этом Планк понимал, что если он утратит руководящее положение в немецкой физике в пользу Штарка и Ленарда, то их расизм будет иметь непоправимые последствия.