Об ошибке гения

Некоторые замечания к нобелевской лекции Нильса Бора

Меч Ахилла под силу только

Аяксам и Одиссеям

В.Г. Белинский, Сочинения Александра Пушкина

Давно искал подходящий случай прокомментировать одно очень важное критическое замечание, содержащееся в Нобелевской лекции Нильса Бор, зачитанной в связи с присуждением ему этой премии в 1922 г. и касающееся его спора с работой Эйнштейна, за которую тот был удостоен Нобелевской премии 1921.

Подходящий случай пришёл в виде приглашения участвовать в заседании Научно-мемуарной программы Санкт-Петербургского союза учёных «Былое и думы» 12 декабря сего года. Я не могу физически участвовать в этом заседании, в том числе и потому, что именно в это время буду проводить семинар «Трение в физике и обществе» на расстоянии почти четырёх часов лёта от Петербурга – в Иерусалиме.

А. Эйнштейн (1879-1955). Нобелевское открытие сделано в 1905 г

Заседание в Санкт-Петербурге называется «Снова о свете и жизни» и посвящено памяти Нильса Бора – одного из крупнейших физиков XX века, внёсшего важнейший вклад в понимание строения атомов и атомных ядер. Обобщением его открытий в области физики стала новая философская идея дополнительности и роли наблюдателя и процесса наблюдения, на уровне микромира, неразрывно связанная с его результатами.

Заседание «Снова о свете и жизни» приурочено к 90-летию присуждения Нобелевской Премии по физике за 1922 год Нильсу Бору «за работы в исследовании структуры атомов и излучения, испускаемого ими».

Н.Г. Бор (1885-1962). Нобелевское открытие сделано в 1913 г.

Напомню, что годом раньше Нобелевская премия была присуждена А. Эйнштейну «за его работы на благо теоретической физики, и особенно открытие законов фотоэлектрического эффекта». Фактически, Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую Премию годом позже, в 1922 г. Это было связано с тем, что во время процедуры отбора в 1921 г., Нобелевский комитет по физике пришёл к выводу: ни одна из номинаций того года не удовлетворяет критериям, очерченным завещанием Альфреда Нобеля. Согласно уставу Нобелевского фонда, Нобелевская премия в таком случае сохраняется до следующего года, и именно это положение устава было применено. Поэтому Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за 1921 г., на один год позже – в 1922 г. Это позволяет, вообще говоря, расширить тематику заседания «Снова о свете и жизни» и считать его посвящённым сразу двум великим Нобелевским Премиям.

Оба они, Бор и Эйнштейн, фактически заложили основы квантовой физики, однако разошлись в её интерпретации, подарив миру в 30-е годы потрясающую публичную дискуссию, волнующую физиков и философов, да и просто интеллигентных людей, и по сей день. В ней Эйнштейн предлагал парадоксы-противоречия, которые он видел в принятой трактовке квантовой механики, а Бор их убедительно объяснял. В этой дискуссии прав, на мой взгляд, оказался Н. Бор. Но был и другой, менее известный спор, в котором ситуация оказалась прямо противоположной. К его описанию я и перехожу.

Основной награждаемой работой Эйнштейна была его статья 1905 г. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Нередко говорят, что эта работа, будто бы не слишком значительная на фоне других достижений Эйнштейна, была выбрана предметом награждения как легко, без споров, принятая научной общественностью, и вызвавшая наименьшее несогласие со стороны современников, в сравнение с другими работами Эйнштейна 1905 г. Эта точка зрения глубоко ошибочна. К 1922 г, когда Бор получал награду, неприятие идей работы Эйнштейна было отнюдь не редкостью, в отличие от специальной теории относительности, к году 20-му уже не имевшей серьёзных противников. Напомню, что в своей работе Эйнштейн впервые предположил, что свет не только излучается и поглощается, но и распространяется в виде подобных частицам объектов, называемых квантами. Именно это положение вызвало настолько сильное несогласие Бора, что он счёл нужным довольно резко раскритиковать его в своей Нобелевской лекции.

Было и ещё одно несогласие между Бором и Эйнштейном, связанное с экспериментальной проверкой предсказаний теории фотоэффекта, в основе которой лежал закон сохранения энергии в процессе поглощения одного фотона одним электроном. Основные уравнения открытия и Эйнштейна и Бора поразительно похожи:

 ε₁ - ε₂ =  hν₁₂  - Bohr, Einstein - hν = ε + I,

Здесь ε₁, ε₂  - электронные уровни энергии Бора, члены с постоянной Планка  h - hν₁₂ и hν - суть испускаемая атомом при излучении (поглощаемая - в фотоэффекте) энергия фотона, ε  - энергия фотоэлектрона, I - так называемая работа выхода фотоэлектрона. С нашей, сегодняшней, точки зрения - почти одно и то же.

Эйнштейн и Бор выучили нас, их научных внуков и правнуков, что это оба эти уравнения выражают закон сохранения энергии, приложенный к двум различным видам спектра электромагнитного излучения – дискретного у Бора и сплошного – у Эйнштейна. В применение к соотношению Бора этот закон утверждает, что энергия возбуждения атома вся передаётся кванту излучения точно такой же энергии. В применение к соотношению Эйнштейна, согласно этому же закону, энергия кванта целиком поглощается электроном, позволяя ему покинуть, скажем, металлическую плёнку и двигаться со строго определённой кинетической энергией ε. Но для Бора здесь были два качественно различных объекта, микроскопический атом и макроскопическая плёнка. Он отрицал доказанность закона сохранения энергии в элементарном акте фотоэффекта. Он полагал, что в микромире закон сохранения энергии выполняется лишь в среднем, а в элементарном акте может нарушаться. Он также отрицал роль идеи квантов как частиц электромагнитного поля.

В своей Нобелевской лекции, Н Бор писал на стр. 7 и 8: «Эйнштейн пришёл к формулированию так называемой "гипотезы квантов света", согласно которой излучаемая энергия, в противоречие с электромагнитной теорией света, предложенной Максвеллом, будет распространяться не как электромагнитные волны. Вместо этого излучаемая энергия будет представлять собой скорее некие световые атомы, каждый с энергией, равной энергии кванта излучения. Эта концепция привела Эйнштейна к его хорошо известной теории фотоэлектрического эффекта. Это явление, которое было совершенно необъяснимо на основе классической теории, рассмотрено в совершенно ином свете. И предсказания теории Эйнштейна получили столь точное экспериментальное подтверждение в последние годы, что, возможно, наиболее достоверное значение постоянной Планка получается из измерений фотоэффекта.

Однако, несмотря на эвристическое значение, гипотеза световых квантов, которая совершенно несовместима с так называемым явлением интерференции, не способна пролить свет на природу излучения (выделено мной – МА). Мне следует только напомнить, что эти интерференционные явления представляют собой наш единственный способ исследования свойств излучения, и, таким образом, придание какого-то глубокого смысла частоте, которая в эйнштейновской теории определяет величину кванта света». Зная легендарную вежливость Бора, немыслимо представить себе более резкое с его стороны выражение полного неприятия позиции Эйнштейна в этом вопросе, с учётом времени и особенно места его выражения.

Бор полагал, что экспериментальные подтверждения формулы Эйнштейна говорят лишь об её справедливости в применение к макроскопическому объекту, лишь в среднем, а не в индивидуальном элементарном акте поглощения одного фотона. На эту тему он с сотрудниками, Слетером и Крамерсом[1], опубликовали несколько работ.

Отмечу, что Бор был не первым и не единственным, кто скептически относился к идее квантов. Приведу выдержку из письма от 12 июня 1913 г., которым Планк, Нернст, Рубенс и Варбург выдвигают Эйнштейна в члены Прусской Академии: «Тот факт, что иногда в своих спекуляциях он заходит слишком далеко (например, его гипотеза о световых квантах) не должен использоваться против него, поскольку тот, кто так не рискует, не сможет внести действительно новаторский вклад в науку». Однако критика Бора была наиболее последовательной и резкой.

Справедливость закона сохранения энергии и импульса в элементарном акте поглощения фотона была полностью подтверждена специально поставленными опытами по исследованию эффекта Комптона, в которых одновременно фиксировался испускаемый под действием налетающего фотона электрон и сопровождающий его вторичный фотон. Это было сделано почти сразу после лекции Бора в 1922 г. и его с соавторами статьи 1924 г. в работах В. Боте с Н. Гайгером и А. Комптона с А. Саймоном годом спустя. Но процедура проверок и перепроверок, а вместе с ней и безоговорочное признание правильности эйнштейновской теории фотоэффекта как относящейся не только к макроскопическим объектам, но и к элементарному акту, задержалась почти на три десятилетия. Только в 1950 г опыты В. Гросса и Н. Рамзая (позднее лауреата Нобелевской премии) положили конец сомнениям.

Время берёт своё. Уже давно представление об электромагнитном излучении как о потоке фотонов – основа нашего понимания природы электромагнитного излучения. Оно прекрасно уживается с теорией Максвелла, и стало основой самого выдающегося достижения теоретической физики середины двадцатого века.

В 1931 г. Бор вернулся к идее нарушения закона сохранения энергии в элементарных актах на уровне микрочастиц, в связи с попыткой объяснить сплошной спектр электронов, испускаемых при бета-распаде ядер. Однако правильной оказалась иная идея, высказанная В. Паули в 1930 г. Именно он предположил, что наряду с электроном, в процессе испускается ещё одна, очень лёгкая и незаряженная частица, позднее названная нейтрино. Паули писал в 1930: «Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь; серьёзность положения с непрерывным β-спектром хорошо проиллюстрировал мой уважаемый предшественник г-н Дебай, который недавно заявил мне в Брюсселе: “Об этом лучше не думать вовсе, как о новых налогах”».

В моих глазах описанный спор Бора с Эйнштейном, ведшийся хоть и с одной стороны (Эйнштейн, насколько знаю, прямо Бору не возражал), и кончившийся победой Эйнштейна, представляется эдакой Битвой Гигантов – совсем не простой для понимания и крайне поучительной.

Считаю уместным привести здесь некоторые воспоминания, в какой-то мере связанные с темой Нобелевской премии 1922. Лично с Нильсом Бором я знаком не был, но много слышал о нём от моего научного руководителя проф. Л. А. Слива, проведшего, первым среди советских ученых после второй мировой войны, заметный период времени в Копенгагене. Там, вместе с тремя другими счастливцами он прослушал курс квантовой механики в её, на мой взгляд, сейчас общепринятой среди грамотных физиков, Копенгагенской интерпретации. Читал эти лекции сам Нильс Бор.

Это была середина пятидесятых, когда Н. Бора резко критиковали в СССР как идеалиста. Бессмысленность всех «обвинений» в адрес Бора Слив разъяснял и в публичных выступлениях, и в личных беседах.

Копенгагенская интерпретация выдержала проверку временем и жёсткую критику некоторых компетентных учёных, таких, как Д. Бом, а также нескончаемые яростные атаки, основанные просто на непонимании, со стороны самоуверенных невежд.

Единственная моя прямая и в какой-то мере личная связь с Нильсом Бором – это его приглашение, присланное в 1960 (или 1961 гг.) провести год в его институте в Копенгагене. Разрешения на поездку я, понятное дело, не получил, а само приглашение хранится в недрах архива Физико-технического института или его первого отдела.

Естественен вопрос – почему Н. Бор пригласил именно меня? Ответ сравнительно прост. В ходе визита Слива в Копенгаген, куда тот был приглашён по рекомендации сына Н. Бора, Оге, с которым Слива связывала близость взглядов и интересов в области теории атомных ядер, проявилось обоюдное желание возобновить весьма тесные связи Института Нильса Бора с советскими физиками вообще и теоретиками Ленинградского Физико-технического института в особенности. Эти связи существовали до Второй мировой войны.

Уместно напомнить, что Н. Бор, в соавторстве с Уиллером, разработавший гидродинамическую модель ядра, прекрасно знал и ссылался как на пионерскую, статью Я. И. Френкеля в этой области, крупнейшего теоретика, заведовавшего теоретическим отделом в Физико-техническом институте (ФТИ). Хорошо помнили в Копенгагене и весьма плодотворный визит в начале тридцатых Л. Д. Ландау, тогда сотрудника ФТИ, и пребывание беглеца из СССР, тоже из ФТИ, Дж. Гамова, да и ряда других. Словом, желание крепить связи, вновь возникшие после войны и во многом основанные на визите Л. А. Слива, было налицо.

Для поиска подходящих обещающих молодых учёных в ФТИ приехал Б. Р. Моттельсон, получивший позднее, в 1975 г, вместе с Оге Бором[2], Нобелевскую премию по физике. Молодые выстроились в очередь, и получали пять минут для сообщения о том, чем они занимаются, каковы полученные результаты и планы на близкое будущее. По итогам поездки Моттельсон представил Н. Бору своего кандидата. Им и оказался я, получивший почти сразу после визита Моттельсона приглашение от Н. Бора. Оно не вызвало понимания в инстанциях, чья объективная глупость соперничала лишь с их собственной некомпетентностью и хорошо развитым «не пущать» рефлексом.

Отмечу, что Слив и Бор активно переписывались, притом иногда О. Бор писал и по-русски[3]. За приглашением Н. Бора, последовало приглашение от нового директора института, Оге Бора, занявшего этот пост после смерти отца. Оге несколько раз бывал в СССР, и мы были с ним и его женой неплохо знакомы[4]. Он даже намеревался просить Н. Хрущёва, чей визит в Данию, планировавшийся на 1964 г., должен был включать и посещение института Бора, разрешить мне приехать в Копенгаген. Разумно было предполагать, что Хрущёв не откажет, но поездка не состоялась, поскольку Хрущёва сняли с поста руководителя СССР в октябре 1964.

Как честь, я воспринял ссылку на свою с учениками работу в фундаментальном трактате О. Бора и Б. Моттельсона по физике ядра, где среди многих упомянутых авторов советских физиков было совсем мало. Хотя тогда моя поездка сорвалась, безотказно действовало обратное направление. Из Института Бора приезжали Дж. Браун, А. Ланде, К. Петик, позже многолетний директор Института Бора. С этими людьми меня затем связывали многолетние дружеские отношения. Я хорошо запомнил и приезд в ФТИ Л. Розенфельда – многолетнего, с 1930 и до смерти Н. Бора, его сотрудника и научного секретаря. Это было уже в самом начале 70-х. Из-за периода летних отпусков народу было не очень много, и, не слишком разобравшись в том, «кто есть кто»[5], открывая объединённый по такому случаю семинар ядерщиков и специалистов в области элементарных частиц и теории поля, я приветствовал Розенфельда дежурными словами радости по поводу его приезда в ФТИ. Он вежливо поблагодарил меня, вскользь заметив, что уже был в этом институте, правда, ранее, чем я родился!

Приход новых времён позволил, хоть и много позже, в 1991 г., приехать, пусть и не на год, а на пару недель, в Институт Нильса Бора. Оге Бор на семинары тогда уже не ходил[6], да и Бен Моттельсон появлялся крайне редко. Тем приятнее мне было видеть его среди слушателей на моём докладе.

В заключение, отмечу, что величие человека определяется не только подтверждаемыми временем яркими идеями, результатами и методиками, но и ошибками, участием в спорах, в которых великий человек ошибается. Обычно он и это делает не тривиально, а на основе сложных и глубоких размышлений. Именно на такой очень поучительной ошибке, нашедшей отражение и в Нобелевской лекции Нильса Бора, я сосредоточил своё внимание в данной заметке.

Иерусалим

09.12.12

Примечания