Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Знание — сила»
«Квант»
«Квантик»
«Кот Шрёдингера»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
16.01
Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

11.01
Многолетнее исследование черных ворон в Испании выявило преимущества коммунального гнездования

09.01
Эмоциональное восприятие музыки зависит от генов

05.01
Вставка генома вольбахии может приводить к развитию новой половой хромосомы у ее хозяев

04.01
Межгрупповые конфликты у шимпанзе связаны с повышенным уровнем окситоцина






Главная / Библиотека / В популярных журналах / «Наука и жизнь» версия для печати

Сказка о физике Вернере Гейзенберге, который ничего не знал наверняка

Ник. Горькавый
«Наука и жизнь» №6, 2016

Другие научные сказки Ник. Горькавого см. в «Науке и жизни» №11, 2010, №12, 2010, №1, 2011, №2, 2011, №3, 2011, №4, 2011, №5, 2011, №6, 2011, №9, 2011, №11, 2011, №6, 2012, №7, 2012, №8, 2012, №9, 2012, №10, 2012, №12, 2012, №1, 2013, №11, 2013, №1, 2014, №2, 2014, №3, 2014, №7, 2014, №8, 2014, №10, 2014, №12, 2014, №1, 2015, №4, 2015, №5, 2015, №6, 2015, №7, 2015, №9, 2015, №1, 2016, №2, 2016, №3, 2016.

«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010–2014 гг.; в №№ 1, 4–7, 9, 2015 г.; в №№ 1, 2, 3, 2016 г.

Вернер Карл Гейзенберг. 1933 год («Наука и жизнь» №6, 2016)

Вернер Карл Гейзенберг. 1933 год. Фото: German Federal Archives/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

— Вечерние горы подёргивались прохладным туманом, по зелёным пологим пастбищам бродили коровы, позвякивая шейными колокольчиками и похрустывая свежей травой. На лугу высились стога сена, заготовленные на зиму. В одном из стогов лежал светловолосый подросток и читал книгу немецкого философа Иммануила Канта. Где-то вдали стреляли пушки и рвались снаряды, а мальчик читал про звёзды, про процессы познания, размышлял над проблемами бытия, нравственности и этики. Он не знал, что ждёт впереди его самого, его страну и весь мир. Не знал, что Первая мировая война скоро кончится и что она будет далеко не последней; что в ближайшие десятилетия мир изменится до неузнаваемости, в том числе и благодаря тому, что мальчик по имени Вернер Гейзенберг лежит на лугу и читает Канта для собственного удовольствия. Это был особенный мальчик, не похожий на других.

— С этого и надо было начать, — заметила Галатея.

— Что ж, с этого и начнём, — ответила принцесса Дзинтара, и её дети, Галатея и Андрей, приготовились слушать очередную вечернюю сказку.

— Итак, в начале ХХ века жил-был в Германии мальчик... Его отец, Август Гейзенберг, занимался самым тихим занятием, которое только можно вообразить: изучал древние византийские рукописи, написанные на древнегреческом языке. Он ездил в Италию и Грецию для их исследования и преподавал историю студентам в Мюнхенском университете. У него было два сына: Эрвин, который стал химиком, и Вернер. И надо же было такому случиться, чтобы в семье человека, больше всего ценившего классические представления о мире, вырос бунтарь, который отбросил существующие воззрения на время и пространство и предложил новые подходы к их пониманию.

— Как же это получилось? — спросил Андрей.

— Ещё будучи школьником, Вернер во время долгой болезни прочёл книгу Германа Вейля «Пространство. Время. Материя», и его впечатлила мощь описанных в ней математических методов. С этого момента Гейзенберг увлёкся математикой. Выдающиеся знания молодого человека отметили на выпускном экзамене в гимназии.

Юность Вернера пришлась на бурный революционный период в истории Германии. Весной 1918 года его вместе с другими 16-летними школьниками отправили работать на ферму — помогать воюющей Германии. Гейзенберг был не похож на своих сверстников. По вечерам он спешил уединиться и с увлечением читал философские труды Платона и Канта.

После Первой мировой войны в Германии наступил период политической нестабильности, общественного брожения и протестных выступлений. Вернер посещал собрания молодёжного движения, где слушал горячие выступления против общественных традиций и предрассудков. Но даже тогда главный интерес для него представляли не политика и философия, больше всего его увлекали физика и математика.

Мюнхенский университет («Наука и жизнь» №6, 2016)

Мюнхенский университет, альма-матер Вернера Гейзенберга. Фото: Diago Delso/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, стал учеником профессора Арнольда Зоммерфельда и окунулся в мир теоретической физики. Через три года он подготовил диссертацию по теоретической гидродинамике, но не учёл, что для получения учёной степени необходимо сдать устный экзамен и по экспериментальной физике. Вернер не смог ответить на вопросы дотошного профессора Вильгельма Вина и чуть не провалился. Только заступничество Арнольда Зоммерфельда спасло диссертанта от полного провала.

Профессор Арнольд Зоммерфельд, Макс Борн («Наука и жизнь» №6, 2016)

Слева: профессор Арнольд Зоммерфельд. 1935 год. Фото: GFHund/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0. Справа: Макс Борн. Фото: Wikimedia Commons/PD

Получив степень, Гейзенберг занялся новой квантовой физикой. Вместе с Вольфгангом Паули он стал ассистентом Макса Борна — директора физического института Гёттингенского университета. Борн писал о Гейзенберге: «Он был похож на простого крестьянского парня, с короткими светлыми волосами, ясными живыми глазами и чарующим выражением лица. Он выполнял свои обязанности ассистента более серьёзно, чем Паули, и оказывал мне большую помощь. Его непостижимая быстрота и острота понимания всегда позволяли ему проделывать колоссальное количество работы без особых усилий».

Местечко Зюдельфельд в Южной Баварии («Наука и жизнь» №6, 2016)

Местечко Зюдельфельд в Южной Баварии, где профессор А. Зоммерфельд совершал лыжные прогулки со своими учениками. Фото: LepoRello/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

Гейзенберг поработал и у Нильса Бора (см. «Наука и жизнь» № 1, 2016 г., «Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, разыскавшем связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка»). Они познакомились в 1922 году во время так называемого Боровского фестиваля. Гейзенберг беседовал со знаменитым датчанином, и этот разговор во многом повлиял на его взгляды и подходы к решению научных проблем. «У Зоммерфельда я научился оптимизму, у гёттингенцев — математике, а у Бора — физике», — писал он.

Нильс Бор и Вернер Гейзенберг («Наука и жизнь» №6, 2016)

Нильс Бор (справа) и Вернер Гейзенберг. Фото: Fermilab, U.S. Departament of Energy/Wikimedia Commons/PD

В 1925 году, в возрасте 23 лет, Вернер создал новую квантовую механику на основе математических матриц. Она была независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.

— А что такое матрицы?

— Матрицами называют прямоугольные таблицы чисел. Гейзенберг предположил, что любой физической величине, которую можно наблюдать в эксперименте, соответствует своя матрица. Он сумел описать квантовые скачки в атоме Бора и любые изменения в состоянии кванто-механических систем с помощью математических операций над матрицами. Через полтора года Гейзенберг вывел квантовое соотношение неопределённостей, ставшее знаковым для современной науки. Соотношение гласило, что наш мир принципиально не точен: мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любого объекта, например электрона. Если мы точно измерим импульс электрона, то утратим информацию о его положении, а если точно измерим его координаты, то потеряем возможность определить импульс или скорость.

Марка ФРГ с изображением Вернера Гейзенберга («Наука и жизнь» №6, 2016)

Марка ФРГ с изображением Вернера Гейзенберга и его знаменитого соотношения неопределённостей. Фото: Wikimedia Commons/PD

— Значит, учёные ничего не могут знать наверняка? — поразилась Галатея. — Как бы они ни старались, в их измерениях всегда будут ошибки?

— Увы, это так. Неопределённость в координатах электрона, умноженная на ошибку в его импульсе, равна постоянной Планка (см. «Наука и жизнь» № 7, 2015 г., «Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную»), — и это соотношение неопределённостей Гейзенберга прекрасно дополнило концепцию де Бройля (см. «Наука и жизнь» № 2, 2016 г., «Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире») о частицах как о волнах. Если мы попробуем захватить частицу в хитрую ловушку, то есть точно зафиксируем её местоположение, ошибка в определении импульса частицы станет бесконечно большой.

— Информация уходит сквозь пальцы как волна, — усмехнулась Галатея.

— Очень похоже, — вмешался Андрей, — что Галатея тоже подчиняется этому соотношению неопределённостей: её никогда не бывает в нужном месте в нужное время!

Дзинтара улыбнулась, глядя на возмущённую дочь, и продолжила:

— Соотношение неопределённостей Гейзенберга трактуют и так: для измерения параметров квантовой системы требуется инструментальное вмешательство, и это вмешательство настолько сильно искажает её характеристики, что система «забывает» своё первоначальное состояние, и мы утрачиваем возможность узнать, каким оно было.

Галатея, делая вид, что не замечает брата, обратилась к матери:

— Мама, судя по историям, которые ты нам рассказала, теоретики делают открытия в очень молодом возрасте. Но ведь с годами опыт и знания растут и открытий должно быть больше.

— Давно замечено, что самый плодотворный возраст для теоретических открытий — первые несколько лет после окончания университета, ведь важны не только опыт и знания, но и свежий взгляд и смелость молодости. В пожилом возрасте учёный с трудом соглашается с попранием истин, с которыми он долго жил.

Молодой профессор Вернер Гейзенберг. 1927 год («Наука и жизнь» №6, 2016)

Молодой профессор Вернер Гейзенберг. 1927 год. Фото: Wikimedia Commons/PD

Успехи Вернера Гейзенберга не остались незамеченными. Университеты наперебой приглашали его занять профессорскую должность. В возрасте 25 лет Вернер стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.

— Теперь его никто не мог упрекнуть в незнании физики! — удовлетворённо отметила Галатея.

— Все, кто с ним работал, вспоминали, что Гейзенберг был демократичным и весёлым человеком. После научных занятий он, например, с азартом играл в настольный теннис. Биографы — его ученики Невилл Мотт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1977 год, и Рудольф Пайерлс — в книге, посвящённой великому учёному, писали о том периоде жизни Гейзенберга, когда он создал квантовую механику и стал молодым профессором: «Никто не осудил бы его, если бы он начал воспринимать себя серьёзно и стал слегка напыщенным после того, как предпринял по крайней мере два решающих шага, изменивших лицо физики, и после получения в столь юном возрасте статуса профессора, что заставляло и многих более старых и менее значительных людей чувствовать себя важными, но он остался таким, каким и был, — неофициальным и весёлым в обращении, почти мальчишеским и обладающим скромностью, граничащей с застенчивостью».

Нобелевскую премию по физике «За создание квантовой механики» Гейзенберг получил в неполных 32 года. Он, безусловно, был рад, но, будучи скромным и справедливым, выразил удивление, что его коллеги по созданию квантовой механики Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак получили одну Нобелевскую премию на двоих, а Макс Борн вообще ею обойдён.

— Гейзенберг так много работал, но была ли у него девушка или семья? — спросила Галатея. — Или он занимался одной наукой?

— В 35 лет Вернер женился на Элизабет Шумахер, дочери берлинского профессора-экономиста. Они жили долго и счастливо и у них было семеро детей. Дочери Гейзенберга Анна-Мария и Верена стали физиологами, сын Мартин — генетиком, а Йохен пошёл по стопам отца, он был физиком-ядерщиком.

Гейзенберг умер в 1976 году. Юджин Вигнер, лауреат Нобелевской премии по физике за 1963 год, написал тогда: «Нет такого живущего физика-теоретика, который сделал больший вклад в нашу науку, чем он. В то же время он был доброжелателен со всеми, лишён высокомерия и составлял приятную компанию». А его первый ученик Феликс Блох, ставший лауреатом Нобелевской премии по физике в 1952 году, вспоминал: «Если я должен выбрать единственное из его великих качеств как учителя, то это было бы его необычайно позитивное отношение к любому прогрессу... Одной из наиболее удивительных особенностей Гейзенберга была почти безошибочная интуиция, которую он проявлял в своём подходе к физической проблеме, и феноменальный способ, с помощью которого решения как будто падали с неба».

Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976) — немецкий физик-теоретик, один из основателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1932 года.
Герман Вейль (1885–1955) — немецкий математик и физик-теоретик. Автор знаменитой книги «Пространство. Время. Материя» — одного из первых изложений общей теории относительности Эйнштейна.
Арнольд Иоганнес Вильгельм Зоммерфельд (1868–1951) — немецкий физик-теоретик и математик. Учитель и научный руководитель Вернера Гейзенберга.
Макс Борн (1882–1970) — немецкий и британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1954 года.
Феликс Блох (1905–1983) — швейцарский физик, ученик Вернера Гейзенберга. Лауреат Нобелевской премии по физике 1952 года.
Невилл Франсис Мотт (1905–1996) — английский физик. Лауреат Нобелевской премии по физике 1977 года, которую он получил вместе с Филипом Андерсоном и Джоном ван Флеком.

Комментировать


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия