Незважаючи на поразку Німеччини в Першій світовій війні, німецька фізика продовжувала залишатися найбільш передовою в світі: вчені з Німеччини частіше своїх колег з інших країн отримували Нобелівські премії, головні відкриття відбувалися в їх лабораторіях, до них їхали вчитися фізики з усього світу. Слідом за відкриттям загальної теорії відносності Ейнштейна і квантової теорії пристрою атома Бора настала пора квантової механіки - її розробкою займалися німець Вернер Гейзенберг з Мюнхена і австрієць Ервін Шредінгер, який пізніше перебрався до Берліна. Однак прихід до влади Гітлера і видані ним расові закони проти держслужбовців зробили те, що було не під силу революції 1918 року, голоду і гіперінфляції початку 1920-х років, - підірвали німецьку науку.
Німеччина в кризі
У червні 1922 року в німецькому Геттінгені пройшов «фестиваль Бора» - протягом 10 днів знаменитий данський фізик (ми розповідали про нього в одному з наших попередніх матеріалів) прочитав серію лекцій з теорії атома, за створення якої пізніше того ж року удостоївся Нобелівської премії. Серед слухачів були професор кафедри фізики Мюнхенського університету Арнольд Зоммерфельд і його 21-річний студент Вернер Гейзенберг. «Геттінген, прекрасна літня погода <... > захоплені студенти, які заповнили більшу частину аудиторії <... > і порожній шлунок, що було зазвичай в ті дні для студента четвертого семестру», - описував пізніше Гейзенберг свою першу зустріч з Бором. Ймовірно, слова про порожній шлунок не були фігурою мови - після поразки в Першій світовій війні Німеччина опинилася у важкій кризі.
Восени 1918 року капітулювали всі союзники Німеччини, і, хоча війна все ще йшла на чужій території, стало ясно, що перемогти в ній не вдасться. З серпня німецька армія відступала під ударами французьких, британських і американських військ. Четвертого листопада в Кілі почалася революція, в результаті якої кайзер Вільгельм II зрікся престолу і влада перейшла до уряду під керівництвом соціал-демократа Фрідріха Еберта. Одинадцятого листопада Еберт уклав перемир'я, яке позначило поразку Німеччини у війні. Шостого лютого 1919 року в Веймарі відкрилися Установчі збори, які мали розробити демократичну конституцію Веймарської республіки і затвердити умови мирного договору.
Двадцять дев "ятого червня 1919 року, через місяць після сонячного затемнення, яке підтвердило загальну теорію відносності Альберта Ейнштейна, було підписано Версальський мирний договір. Його умови були виключно важкими і принизливими для Німеччини. Її оголосили головною винуватицею світової війни, позбавили території площею 65 тисяч квадратних кілометрів, на якій проживало близько 7 мільйонів осіб, і всіх колоній. Чисельність німецьких армії і флоту була жорстко обмежена, новій республіці заборонили мати бойову авіацію і підводні човни, Рейнська область на заході Німеччини була демілітаризована і окупована військами союзників.
Німеччину також зобов'язали виплатити переможцям репарації в розмірі 132 мільярдів золотих марок (приблизно 440 мільярдів доларів у цінах 2018 року), що лягло непосильним тягарем на ослаблену війною економіку. Репарації стали однією з причин гіперінфляції, що вибухнула в 1922 і 1923 роках, коли ціни зростали в середньому на 322 відсотків на місяць. У січні 1923 року хліб коштував 700 марок, у травні - 1200, у липні - 100 тисяч, 2 мільйона - у вересні, 670 мільйонів - у жовтні і, нарешті, 80 мільярдів марок - у листопаді.
У 1924 році уряду вдалося впоратися з інфляцією і за допомогою американських кредитів і тимчасової заморозки виплат репарацій запустити економічне зростання. Тим не менш, принизливий мирний договір і післявоєнна криза серйозно підірвали авторитет Веймарської республіки у німців.
Народження квантової механіки
Захистивши дисертацію в 1923 році, Вернер Гейзенберг перебрався з Мюнхена до Геттінгена, де під керівництвом директора Інституту фізики Макса Борна почав працювати над квантовою теорією. Борн згадував: "Коли він приїхав, він виглядав, як простий селянський хлопець з коротким світлим волоссям, ясними очима і приємним виразом обличчя <... > Його неймовірні швидкість і гострота сприйняття завжди дозволяли йому робити колосальний обсяг роботи без особливих зусиль ".
У квантовій фізиці, що бурхливо розвивалася перед війною, намітився застій: модель атома Нільса Бора добре описувала водень і деякі інші схожі на нього атоми, але вже більше десяти років спроби узагальнити її для більшості елементів таблиці Менделєєва, хоча б для наступного за воднем гелію, закінчувалися невдачею. В основному, фізики думали про те, як модифікувати орбіти, якими електрони рухаються навколо ядра в моделі Бора.
Арнольд Зоммерфельд, мюнхенський керівник Гейзенберга, зокрема, розглянув на додаток до кругових еліптичних орбіт, і це значно поліпшило згоду теорії та результатів експериментів для спектру водню (тобто набору частот світла, які можуть бути випромінені), але не вирішило проблему гелію. Спектроскопія дозволяла з великою точністю встановити, які енергії можливі у електронів в атомі (нагадаємо, що частота кванта світла пов'язана з енергіями, якими електрон володів до і після випромінювання), а ось простежити за траєкторіями руху електронів експериментально було неможливо.
Гейзенберг вирішив відмовитися від опису непостережуваних траєкторій і зосередився на спостережуваних енергіях. І це принесло плоди! Працюючи то в Геттінгені з Борном, то в Копенгагені з Бором, він запропонував новий підхід для передбачення можливих енергій електронів всередині атомів. Остаточний прорив був зроблений на самоті на маленькому острові Гельголанд в Північному морі, де молодий фізик відновлювався після сінної лихоманки. Після повернення в Геттінген влітку 1925 року 24-річний Гейзенберг за допомогою Борна і математично обдарованого аспіранта Паскуаля Йордана сформулював положення матричної механіки - складної і досить абстрактної теорії, яка за допомогою нескінченних матриць дозволяла описувати явища в мікроскопічних системах, таких як атоми і молекули.
Матрична механіка виявилася не єдиним способом вирішити проблеми атомної фізики. Сучасна фізика почалася з твердження Макса Планка про те, що світло слід розглядати не тільки як електромагнітну хвилю, але і як потік дискретних частинок, квантів. У 1923 році французький вчений Луї де Бройль запропонував логічне, але ще більш революційне узагальнення: будь-якій мікроскопічній частці, зокрема електрону, треба поставити у відповідність деяку хвилю, частота якої визначається енергією точно так само, як і в разі квантів світла: .
У 1926 році австрієць Ервін Шредінгер, користуючись ідеєю де Бройля, відкрив хвильову механіку - альтернативний гейзенбергівському спосіб опису мікроскопічних систем, що настільки ж успішно дозволяє передбачати можливі значення рівнів енергії електронів в атомі і спектри, але при цьому більш наочний і використовує звичний фізикам того часу математичний апарат. Цікаво, що, на відміну від Гейзенберга, Шредінгер зробив своє відкриття в суспільстві якоїсь «юної подруги», з якою, окремо від дружини Аннемарі, проводив різдвяні свята і якій присвятив видання своїх основоположних статей по хвильовій механіці. У Аннемарі, в свою чергу, був роман з колегою чоловіка, фізиком-теоретиком Германом Вейлем.
Наступного року англієць Джордж Патжет Томсон, син першовідкривача електрона Дж.Дж.Томсона, а також американці Клінтон Девіссон і Лестер Джермер експериментально продемонстрували хвильові властивості електронів в експериментах, що нагадують досвід Юнга, який підтвердив хвильову природу світла.
Того самого 1927 року Гейзенберг сформулював знамените співвідношення невизначеностей: . Воно означає, що у мікроскопічної частинки неможливо одночасно точно виміряти її положення і швидкість - чим менше невизначеність у положенні, тим більше невизначеність у швидкості, і навпаки. Оскільки постійна Планка, що стоїть у правій частині нерівності, дуже мала (ауд 10-34), помітні обмеження співвідношення невизначеностей накладає тільки на мікрочастинки з малою масою. Але це обмеження принципове, воно не є, наприклад, наслідком недосконалості вимірювальних приладів. Справа в тому, що одночасно знайти положення і швидкість частинки не можна, для цього треба провести два різних експерименти. При кожному вимірі прилад взаємодіє з досліджуваною системою і впливає на неї, причому чим точніше вимір, тим сильніший вплив, навіть у випадку з ідеальним приладом. Тому точний вимір положення дуже сильно змінить швидкість частинки, через що виміряти її початкову величину буде неможливо.
Звідси ясно, чому відмова від орбіт, якими електрони рухаються навколо ядра, була такою важливою. Якщо неможливо одночасно визначити положення і швидкість частинки, значить, у неї взагалі немає траєкторії. Спроба зобразити її потребує точного вимірювання положення частинки в послідовні моменти часу, але кожен вимір положення сильно збільшить невизначеність швидкості, а значить, в наступний момент часу частинка може виявитися де завгодно. Ніякої гладкої лінії, до якої ми звикли при описі руху в класичній фізиці, не вийде.
Після відкриттів Гейзенберга і Шредінгера перед фізиками виникли два принципових питання: яка механіка, хвильова або матрична, правильна, і який сенс має введена Шредінгером хвильова функція? На перше запитання практично відразу відповів сам Шредінгер, показавши, що обидва підходи еквівалентні і дозволяють отримувати однакові результати за допомогою різної математичної техніки. Відповідь на друге запитання сформулювали Гейзенберг, Бор і Борн у рамках копенгагенської інтерпретації квантової механіки: квадрат хвильової функції визначає ймовірність знаходження частинки в тій чи іншій точці простору.
Копенгагенська інтерпретація підкреслює принципову відмінність класичної фізики від квантової: у першій можна теоретично передбачити і експериментально виміряти будь-яку фізичну величину, у другій часто можна лише визначити ймовірність того, що величина прийме те чи інше значення (наприклад, положення електрона в атомі). Це було важко прийняти навіть самим блискучим вченим. Ейнштейн багато років сперечався з Бором, доводячи, що квантова механіка ще не завершена і в повній теорії можна буде однозначно визначати значення всіх фізичних параметрів: «Я впевнений, що Бог не грає в кістці!» (На це Бор нібито відповів: «Ейнштейн, не вказуйте Богові, що йому робити!»)
Шредінгер також довго не приймав копенгагенську інтерпретацію, і навіть запропонував відомий уявний експеримент з котом, який підтверджував би її безглуздість. Складно було і безпосереднім авторам. Гейзенберг згадував: "Обговорення з Бором тягнулися багато годин до глибокої ночі і нічим не закінчувалися. Після цього я на самоті йшов гуляти в сусідній парк і питав себе знову і знову: «Чи може природа бути настільки абсурдною, як ми бачимо в цих атомних експериментах?»
Проте, було ясно, що квантова механіка здатна описати величезний клас явищ мікроміру. Луї де Бройль отримав Нобелівську премію в 1929 році, Гейзенберг - в 1932, Шредінгер - в 1933, Дж.П. Томсон і Девісон - в 1937 і, нарешті, Борн - в 1954.
Вручення премії Вернеру Гейзенбергу і Ервіну Шредінгеру відбулося в один день, 10 грудня 1933 року. Разом з ними Нобелівським лауреатом став англієць Поль Дірак. У 1928 році йому вдалося придумати рівняння для опису електрону, яке одночасно враховувало обидві революційні фізичні теорії XX століття: квантову механіку і теорію відносності. Важливим критерієм оцінки фізичної теорії для Дірака була її математична краса («Фізичні закони повинні відрізнятися математичною красою», - сформулював він у 1956 році на лекції в МДУ). Дуже елегантне математично рівняння Дірака передбачало, що, крім негативно заряджених електронів, повинні існувати такі ж по масі, але позитивно заряджені антиелектрони, або позитрони. Це ставило рівняння Дірака під сумнів, оскільки ніяких частинок, крім електрону і протона, наука тоді не знала. У 1932 році американський експериментатор Карл Андерсон виявив позитрони в космічних променях, наукове кредо Дірака було тріумфально підтверджено.
Отже, криза, в якій опинилася Німеччина після поразки у війні, не особливо похитнула її статус світового наукового лідера. Найважливіші відкриття, незважаючи на обмеженість фінансування, робилися в німецьких університетах та інститутах Товариства кайзера Вільгельма. Допомагали гранти від приватних американських фондів (зокрема, фонд Рокфеллера оплачував поїздки Гейзенберга в Копенгаген) і німецької промисловості, уряд також усвідомлював важливість підтримки науки. З 1918 по 1933 рік німці отримали шість з 18 Нобелівських премій з фізики і вісім з 15 з хімії. Німеччина залучала провідних вчених з усього світу: у 20-ті роки «батько» американської атомної бомби Роберт Оппенгеймер, майбутні нобелівські лауреати Поль Дірак з Англії, Енріко Фермі з Італії та Лев Ландау з СРСР приїжджали в Геттінгенський університет, щоб працювати з Максом Борном і Вернером Гейзенбергом над створенням квантової механіки. У 1927 році до Німеччини переїхав Ервін Шредінгер, який отримав пропозицію стати професором теоретичної фізики в Берлінському університеті після відходу Макса Планка на пенсію.
Товариство екстреної допомоги німецькій науці, 1924 рік. Макс Планк (у центрі), Фріц Габер (зліва)