Пятый Сольвеевский конгресс (1927)

Сольвеевские конгрессы

Эрнест Сольве, бельгийский химик-самоучка и промышленник, разбогатевший на изобретенном им способе производства соды, интересовался фундаментальными вопросами физики и имел собственные, довольно наивные теории о строении материи. В 1911 году по предложению немецкого физикохимика Вальтера Нернста он профинансировал в Брюсселе закрытую встречу ведущих физиков мира для обсуждения кризиса, вызванного квантовыми идеями Планка и Эйнштейна. Первый Сольвеевский конгресс «Теория излучения и кванты» собрал Планка, Эйнштейна, Марию Кюри, Резерфорда, Пуанкаре и других. Председательствовал нидерландский физик Хендрик Лоренц.

Успех встречи побудил Сольве создать в 1912 году Международный институт физики, который должен был регулярно устраивать такие конференции. Формат был необычным: небольшое число приглашенных участников, заранее подготовленные доклады, подробные дискуссии, публикуемые затем вместе с докладами. Конгрессы проходили раз в несколько лет.

После Первой мировой войны немецкие ученые не приглашались на конгрессы 1921 и 1924 годов - следствие послевоенного бойкота немецкой науки. Эйнштейн, гражданин Швейцарии и противник национализма, в 1924 году отказался от приглашения, в том числе из солидарности с немецкими коллегами. Конгресс 1927 года стал первым, куда вновь пригласили немцев.

Лоренц во главе

Председателем конгресса, как и всех предыдущих, был Хендрик Антон Лоренц - 74-летний нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии 1902 года, создатель электронной теории и автор преобразований, положенных в основу теории относительности. Современники считали его непререкаемым авторитетом и образцом научного джентльмена. Он свободно говорил на нескольких языках и в ходе дискуссий переводил выступления с немецкого на французский и английский и обратно, стараясь, чтобы участники понимали друг друга.

Лоренц принадлежал к поколению классической физики и открыто признавал, что ему трудно принять отказ от причинности и наглядности. В своем вступительном слове к общей дискуссии он высказал надежду сохранить в физике представление о детерминированных процессах в пространстве и времени. Для молодых участников он был живой связью с эпохой, которую они сами завершали. Конгресс 1927 года стал для него последним: Лоренц умер в феврале 1928 года. Эйнштейн выступил на его похоронах, назвав его величайшим и благороднейшим человеком своего времени.

Новая теория и старые вопросы

Конгресс проходил в момент, когда квантовая механика только что обрела законченную форму. В 1925 году Гейзенберг, Борн и Йордан создали матричную механику, в 1926 году Шредингер - волновую механику, вскоре доказана их эквивалентность. Борн предложил статистическое толкование волновой функции. Дирак и Йордан построили общую теорию преобразований. В марте 1927 года Гейзенберг опубликовал соотношение неопределенностей. Эксперименты Дэвиссона и Джермера в США подтвердили волновые свойства электронов.

Но смысл теории оставался предметом острых разногласий. Шредингер надеялся, что волновая механика вернет в физику непрерывность и наглядность. Де Бройль развивал теорию «волны-пилота», в которой частица реальна и направляется волной. Гейзенберг, Борн и Паули считали, что теория носит принципиально вероятностный характер. Бор разрабатывал принцип дополнительности, изложенный им впервые в сентябре 1927 года на конференции в итальянском городе Комо: волновое и корпускулярное описания взаимно исключают друг друга, но оба необходимы для полного описания явлений. Эйнштейн относился к новой теории с растущим скептицизмом.

Участники

На конгресс собрались 29 человек. Среди них были основоположники квантовой физики старшего поколения - Макс Планк, Хендрик Лоренц, Мария Кюри, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Пауль Эренфест, Поль Ланжевен, Оуэн Ричардсон, Чарльз Томсон Рис Вильсон, Петер Дебай, - и молодые создатели новой механики: Гейзенберг, Паули, Дирак, Крамерс, а также Борн, Шредингер и де Бройль. Были приглашены экспериментаторы - Артур Комптон, Уильям Лоуренс Брэгг, Ирвинг Ленгмюр, Мартин Кнудсен, Огюст Пикар, а также бельгийские физики и представители института.

Мария Кюри была единственной женщиной среди участников - и единственной, кто получил две Нобелевские премии. Из 29 участников 17 были к тому времени или стали впоследствии нобелевскими лауреатами.

Доклады

Программа строилась вокруг пяти докладов. Уильям Лоуренс Брэгг говорил об интенсивности отражения рентгеновских лучей кристаллами. Артур Комптон рассказал о расхождениях между опытами с рентгеновскими лучами и электромагнитной теорией излучения, в том числе об открытом им эффекте - рассеянии фотонов на электронах, доказывавшем реальность световых квантов.

Луи де Бройль изложил «новую динамику квантов» - вариант теории волны-пилота, где электрон описывается одновременно как частица и как сопровождающая ее волна. Борн и Гейзенберг представили совместный доклад о квантовой механике, в котором изложили матричный формализм, теорию преобразований и статистическое толкование. Шредингер сделал доклад о волновой механике, отстаивая возможность понимать волновую функцию как реальное физическое поле.

Доклад Борна и Гейзенберга завершался заявлением, что квантовая механика является законченной теорией, чьи основные физические и математические предположения больше не подлежат изменению. Эта формула стала своего рода манифестом копенгагенского подхода.

Что такое дополнительность

Центральной идеей, которую Бор представил участникам конгресса, была дополнительность. По Бору, любое описание атомных явлений опирается на эксперимент, а эксперименты описываются на языке классической физики - приборы, стрелки, фотопластинки. Но разные экспериментальные установки дают взаимоисключающие картины: в одних опытах электрон ведет себя как частица, локализованная в пространстве, в других - как волна, дающая интерференцию. Невозможно поставить опыт, который одновременно покажет обе стороны.

Бор утверждал, что это не недостаток знания, а фундаментальное свойство природы. Волновое и корпускулярное описания не противоречат друг другу, а дополняют: только вместе они исчерпывают то, что можно сказать об объекте. Соотношение неопределенностей Гейзенберга было для Бора количественным выражением дополнительности. Сам Бор распространял эту идею далеко за пределы физики - на биологию, психологию и даже культуру.

Многим современникам формулировки Бора казались туманными. Эйнштейн называл их «успокоительной философией», позволяющей не задавать неудобных вопросов. Но для Бора и его учеников дополнительность стала основой понимания квантовой механики.

Общая дискуссия

После докладов прошла общая дискуссия, в которой обсуждались основания теории. Бор изложил принцип дополнительности. Де Бройль защищал волну-пилот, но Паули подверг ее резкой критике, указав на трудности при описании столкновений частиц. Де Бройль, не найдя поддержки, вскоре отказался от своей теории; ее вновь развил только в 1952 году американский физик Дэвид Бом.

Эйнштейн на официальных заседаниях выступал мало. В общей дискуссии он предложил мысленный эксперимент: электроны проходят через небольшое отверстие в экране и попадают на полусферическую фотопластинку. Согласно квантовой механике, волна распространяется по всей пластинке, но электрон регистрируется в одной точке. Если волновая функция описывает отдельный электрон, то в момент его регистрации в одной точке волна должна мгновенно исчезнуть во всех других - что, по мнению Эйнштейна, противоречило принципу относительности, запрещающему мгновенное действие на расстоянии. Если же волновая функция описывает лишь ансамбль многих электронов, теория неполна. В этом замечании уже содержались идеи, которые позже привели к понятию нелокальности и квантовой запутанности.

Завтраки в «Метрополе»

Главные споры, однако, велись не в зале, а в неформальной обстановке. По воспоминаниям Гейзенберга, участники жили в гостинице «Метрополь», и за завтраком Эйнштейн предлагал Бору новые мысленные эксперименты, призванные показать, что можно одновременно точно измерить величины, которые, по соотношению неопределенностей, измерить нельзя. Бор, Гейзенберг и Паули обсуждали их в течение дня, и к вечеру, за ужином, Бор обычно находил ошибку в рассуждениях Эйнштейна. На следующее утро Эйнштейн приходил с новым мысленным экспериментом.

К концу конгресса, по воспоминаниям Гейзенберга, сторонники нового подхода были убеждены, что их интерпретация выдержала испытание. Пауль Эренфест, близкий друг и Бора, и Эйнштейна, сказал Эйнштейну, что стыдится за него: тот спорит против новой теории так же, как противники теории относительности когда-то спорили против него самого.

С конгрессом традиционно связывают и знаменитые реплики - слова Эйнштейна о том, что Бог не играет в кости, и ответ Бора, что не следует указывать Богу, что ему делать. Однако фраза о Боге и костях впервые появилась в письме Эйнштейна Борну в декабре 1926 года, а в Брюсселе она, если и звучала, повторялась в устных спорах; точные формулировки известны лишь по поздним воспоминаниям.

Фотография

На групповой фотографии, сделанной брюссельским фотографом Бенжаменом Купри у здания института, участники выстроились в три ряда. В центре первого ряда сидит Эйнштейн, рядом с ним Лоренц, Мария Кюри и Планк. Во втором ряду - Бор, Борн, де Бройль, Комптон, Дирак, Крамерс, Брэгг. В заднем ряду стоят Шредингер, Паули, Гейзенберг и другие.

Фотография стала символом «золотого века» физики и одним из самых известных изображений ученых XX века. Ее воспроизводят в учебниках, на плакатах и открытках. В XXI веке появились ее раскрашенные версии.

После Брюсселя

Спор Бора и Эйнштейна продолжился на следующем, шестом Сольвеевском конгрессе в 1930 году. Там Эйнштейн предложил остроумный мысленный эксперимент с «фотонным ящиком», который, казалось, позволял точно измерить одновременно энергию фотона и время его вылета. Бор после бессонной ночи нашел ответ, использовав общую теорию относительности самого Эйнштейна: взвешивание ящика в поле тяжести вносит неопределенность в ход часов.

После 1930 года Эйнштейн перестал оспаривать внутреннюю непротиворечивость квантовой механики и сосредоточился на ее неполноте. В 1935 году вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал статью, в которой утверждал, что квантовая механика не дает полного описания физической реальности. Бор ответил статьей под тем же названием. Шредингер в том же году ввел понятие запутанности и мысленный эксперимент с котом.

Спор, начатый в 1927 году, получил экспериментальное продолжение лишь через несколько десятилетий. В 1964 году Джон Белл показал, что вопрос о «скрытых переменных», на которых настаивал Эйнштейн, можно проверить на опыте. Эксперименты Джона Клаузера, Алена Аспе и Антона Цайлингера, начатые в 1970-е годы, подтвердили предсказания квантовой механики и исключили локальные скрытые переменные. В 2022 году они получили за эти работы Нобелевскую премию.

Конгрессы после конгресса

Сольвеевские конгрессы по физике проводятся по сей день, раз в несколько лет, по-прежнему в Брюсселе и по-прежнему по приглашениям. Они посвящались ядерной физике, элементарным частицам, астрофизике, физике твердого тела, квантовой гравитации. Параллельно с 1922 года проводятся Сольвеевские конгрессы по химии. Международные Сольвеевские институты физики и химии остаются в Брюсселе центром встреч физиков-теоретиков. Однако ни одна из последующих встреч не приобрела такой символической славы, как конгресс 1927 года, который часто называют самой знаменитой научной конференцией в истории.

Итоги

Пятый Сольвеевский конгресс стал моментом, когда квантовая механика была представлена научному сообществу как завершенная теория, а копенгагенская интерпретация - как ее общепринятое понимание. Одновременно он открыл спор о смысле теории, продолжающийся до сих пор. Конгресс остался в истории как символ эпохи, когда небольшая группа ученых за несколько лет перевернула представления о природе материи, и как образец научной дискуссии на высшем уровне.