Под знаком кванта.

Когда прошел восторг первых успехов теории Бора, все вдруг трезво осознали простую истину: схема Бора противоречива. От этого факта некуда было укрыться, и им объясняется тогдашний пессимизм Эйнштейна, равно как и отчаяние Паули. Физики вновь и вновь убеждались, что электрон при движении в атоме не подчиняется законам электродинамики: он не падает на ядро и даже не излучает, если атом не возбужден. Все это было настолько необычно, что не укладывалось в голове: электрон, который «произошел» от электродинамики, вдруг вышел из-под контроля ее законов. При любой попытке найти логический выход из этого порочного круга ученые всегда приходили к выводу: атом Бора существовать не может.

Однако природе нет дела до наших логических построений; атомы устойчивы вопреки всякой логике и, насколько мы знаем, существуют вечно. А если законы электродинамики не могут объяснить устойчивость атома — тем хуже для них, значит, движение электрона в атоме подчиняется каким-то другим законам. Впоследствии оказалось, что постулаты Бора — это удачная догадка о тогда еще не известных, но фундаментальных законах, которые чуть нозже назовут законами квантовой механики.

Квантовая механика — это наука о движении электронов в атоме. Она первоначально так и называлась: атомная механика. А Вернер Карл Гейзенберг — первый из тех, кому выпало счастье эту науку создавать.

Весной 1925 г., по приглашению Бора, Гейзенберг приехал в Копенгаген из Гёттингена, где он работал ассистентом Макса Борна после окончания университета в Мюнхене под руководством Зоммерфельда. В Дании он сразу же попал в обстановку научных споров, в среду людей, для которых квантовая физика стала главным делом жизни. Полгода прошли в работе и бесконечных дискуссиях все о том же: почему электрон — объект электродинамики — не подчиняется в атоме ее законам, в чем причина удивительной силы нелогичных постулатов Бора и, наконец, что означает в этом случае само понятие «движение»?

Напряженные размышления Гейзенберга разрешились неожиданной догадкой, которая мало-помалу сменилась уверенностью: движение электрона в атоме нельзя представлять себе как движение маленького шарика по траектории. Нельзя, потому что электрон не шарик, а нечто более изощренное, и проследить за движением этого «нечто» столь же подробно, как за движением бильярдного шара, невозможно. Поэтому, пытаясь определить траекторию электрона в атоме, мы задаем природе незаконные вопросы. Вроде тех, которые задавали в древности: «На чем держится Земля?», «Где у нее край?», а немного позднее: «Где у нее верх и низ?»

Гейзенберг утверждал: уравнения, с помощью которых мы хотим описать движение в атоме, не должны содержать никаких величин, кроме тех, которые можно измерить на опыте. Из опытов следовало, что атом устойчив, состоит из ядра и электронов и может излучать, если его вывести из состояния равновесия. Это излучение имеет строго определенную длину волны и, если верить Бору, возникает при перескоке электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом схема Бора ничего не говорила о том, что происходит с электроном в момент скачка, так сказать, «в полете» между двумя стационарными состояниями. А все, и Гейзенберг в том числе, по привычке добивались ответа именно на этот вопрос. Но в какой-то момент ему стало ясно: электрон не бывает «между» стационарными состояниями, такого свойства у него просто нет!

А что есть? Есть нечто, чему он не знал пока даже названия, но был убежден: оно должно зависеть только от того, куда перешел электрон и откуда он пришел.

До сих пор, исходя из уравнений электродинамики, все пытались найти гипотетическую траекторию x(t) электрона в атоме, которая непрерывно зависит от времени и которую можно задать рядом чисел х₁, х₂, х_з, ...» отмечающих положение электрона в моменты времени t₁, t₂, t_з, ... Гейзенберг утверждал: такой траектории в атоме нет, а вместо непрерывной кривой x(t) есть набор дискретных чисел x_nk, значения которых зависят от номеров k и n — начального и конечного состояний электрона.

Это очень важное и довольно сложное утверждение можно пояснить простой аналогией. Представьте, что перед вами шахматная доска, по которой ползет муха. При желании можно очень подробно проследить ее путь, если в каждый момент времени t_i отмечать ее положение x_i. По этим измерениям вы затем легко сможете начертить кривую х(t), то есть траекторию движения мухи. Если у вас нет такого желания, достаточно указать квадраты, которые посетила муха на своем пути. Это тоже даст некую информацию о ее перемещении, но легко сообразить, что с точки зрения классической механики такое описание будет неполным.