Боюсь, что это слишком смелое предположение — ожидать чего-то подобного от начинаний Дирака; и на данный момент Шрёдингер развеял большую часть тайны вокруг p и q, показав, что менее трансцендентная интерпретация адекватна для текущих приложений. Но мне нравится думать, что мы, возможно, еще не слышали последнего слова об этой идее.
Теория Шрёдингера сейчас пользуется полной популярностью, отчасти из-за своих внутренних достоинств, но также, подозреваю, отчасти потому, что она единственная из трех, которая достаточно проста, чтобы быть неправильно понятой. Вопреки своему здравому смыслу, я попытаюсь дать грубое впечатление о теории. Вероятно, было бы мудрее прибить над дверью новой квантовой теории объявление: «Идут структурные изменения — Вход только по делу», и особенно предупредить привратника, чтобы он не пускал любопытных философов. Я, однако, ограничусь протестом: хотя теория Шрёдингера ведет нас к здравому и быстрому прогрессу во многих математических проблемах, с которыми мы сталкиваемся, и незаменима в своей практической полезности, я не вижу ни малейшей вероятности того, что его идеи долго просуществуют в их нынешнем виде.
Очерк теории Шрёдингера. Представьте себе субафир, поверхность которого покрыта рябью. Колебания этой ряби в миллион раз быстрее, чем у видимого света — слишком быстро, чтобы попасть в сферу нашего грубого опыта. Отдельная рябь находится за пределами нашего понимания; что мы можем оценить, так это комбинированный эффект — когда путем схождения и слияния волны сговариваются создать возмущенную область, протяженность которой велика по сравнению с отдельной рябью, но мала с нашей собственной великанской точки зрения. Такая возмущенная область распознается как материальная частица; в частности, это может быть электрон.
Субафир — это диспергирующая среда, то есть рябь не движется с одинаковой скоростью; подобно водной ряби, их скорость зависит от их длины волны или периода. Те, у которых период короче, движутся быстрее. Более того, скорость может быть изменена местными условиями. Эта модификация является аналогом поля сил в классической физике в теории Шрёдингера. Легко понять, что если мы хотим свести все явления к распространению волн, то влияние тела на явления в его окрестности (обычно описываемое как поле сил, вызванное его присутствием) должно состоять в модификации распространения волн в окружающей его области.
Мы должны связать эти явления в субафире с явлениями в плоскости нашего грубого опыта. Как уже было сказано, локальная штормовая область обнаруживается нами как частица; к этому мы теперь добавляем, что частота (количество колебаний в секунду) волн, составляющих возмущение, распознается нами как энергия частицы. Вскоре мы попытаемся объяснить, как период умудряется проявляться перед нами таким причудливо замаскированным способом; но как бы это ни происходило, признание частоты в субафире энергией в грубом опыте сразу дает постоянную связь между периодом и энергией, которую мы назвали правилом h.
Как правило, колебания в субафире слишком быстры, чтобы мы могли обнаружить их напрямую; их частота достигает плоскости обычного опыта, влияя на скорость распространения, поскольку скорость зависит (как уже было сказано) от длины волны или частоты. Обозначив частоту через ν, уравнение, выражающее закон распространения ряби, будет содержать член с ν. Будет еще один член, выражающий модификацию, вызванную «полем сил», исходящим от тел, присутствующих поблизости. Это можно рассматривать как своего рода ложное ν, поскольку оно проявляется в нашем грубом опыте тем же методом, что и ν. Если ν порождает те явления, которые заставляют нас распознавать его как энергию, то ложное ν породит подобные явления, соответствующие ложному виду энергии. Очевидно, что последнее будет тем, что мы называем потенциальной энергией, поскольку оно возникает из влияний, приписываемых присутствию окружающих объектов.
Предполагая, что мы знаем как реальное ν, так и ложное или потенциальное ν для нашей ряби, уравнение распространения волн определено, и мы можем приступить к решению любой задачи, касающейся распространения волн. В частности, мы можем решить задачу о том, как движутся штормовые области. Это дает замечательный результат, который обеспечивает первую проверку нашей теории. Штормовые области (если они достаточно малы) движутся по тем же законам, которые управляют движением частиц в классической механике. Уравнения движения волнового пакета с заданной частотой и потенциальной частотой такие же, как классические уравнения движения частицы с соответствующей энергией и потенциальной энергией.
Следует заметить, что скорость штормовой области или группы волн не совпадает со скоростью отдельной волны. Это хорошо известно в изучении водных волн как различие между групповой скоростью и фазовой скоростью. Именно групповая скорость наблюдается нами как движение материальной частицы.
Мы бы мало что выиграли, если бы наша теория не делала ничего, кроме восстановления результатов классической механики на этой довольно фантастической основе. Ее отличительные достоинства начинают проявляться, когда мы имеем дело с явлениями, не охватываемыми классической механикой. Мы рассматривали штормовую область столь малого размера, что ее положение столь же определенно, как и положение классической частицы, но мы можем также рассмотреть область более широкого размера. Никакого точного разграничения между большой областью и малой областью провести нельзя, поэтому мы будем продолжать ассоциировать с ней идею частицы; но в то время как малый концентрированный шторм фиксирует положение частицы близко, более обширный шторм оставляет его очень расплывчатым. Если мы попытаемся интерпретировать расширенный волновой пакет на классическом языке, мы скажем, что это частица, которая не находится ни в какой определенной точке пространства, а слабо связана с широкой областью.
Возможно, вы подумаете, что расширенная штормовая область должна представлять собой диффузную материю в отличие от концентрированной частицы. Это не теория Шрёдингера. Распространение — это не распространение плотности; это неопределенность положения или более широкое распределение вероятности того, что частица находится в пределах определенных границ положения. Таким образом, если мы сталкиваемся с волнами Шрёдингера, равномерно заполняющими сосуд, интерпретация заключается не в том, что сосуд заполнен материей равномерной плотности, а в том, что он содержит одну частицу, которая с равной вероятностью может находиться где угодно.
Первым большим успехом этой теории было описание испускания света атомом водорода — задача, выходящая далеко за рамки классической теории. Атом водорода состоит из протона и электрона, которые должны быть переведены в их аналоги в субафире. Нас не интересует, что делает протон, поэтому мы не беспокоимся о его представлении волнами; что нам нужно от него, так это его поле сил, то есть ложное ν, которое он предоставляет в уравнении распространения волн для электрона. Волны, распространяющиеся в соответствии с этим уравнением, составляют шрёдингеровский эквивалент электрона; и любое решение уравнения будет соответствовать некоторому возможному состоянию атома водорода. Теперь оказывается, что (обращая внимание на очевидное физическое ограничение, что волны нигде не должны иметь бесконечную амплитуду) решения этого волнового уравнения существуют только для волн с определенными частотами. Таким образом, в атоме водорода субафирные волны ограничены определенной дискретной серией частот. Помня, что частота в субафире означает энергию в грубом опыте, атом, соответственно, будет иметь дискретную серию возможных энергий. Установлено, что эта серия энергий в точности совпадает с той, которую приписал Бор на основе своих правил квантования (стр. 191). Это значительный прогресс — определить эти энергии с помощью волновой теории, а не с помощью необъяснимого математического правила. Более того, при применении к более сложным атомам теория Шрёдингера преуспевает в тех пунктах, где модель Бора терпит неудачу; она всегда дает правильное количество энергий или «орбит», чтобы обеспечить один скачок с орбиты на орбиту для каждой наблюдаемой спектральной линии.
Однако преимущество состоит в том, чтобы не переходить от частоты волн к классической энергии на этом этапе, а проследить ход событий в субафире немного дальше. Было бы трудно представить, что электрон обладает двумя энергиями (т.е. находится на двух орбитах Бора) одновременно; но нет ничего, что могло бы помешать волнам двух разных частот одновременно присутствовать в субафире. Таким образом, волновая теория позволяет нам легко представить состояние, которое классическая теория могла описать только в парадоксальных терминах. Предположим, что присутствуют два набора волн. Если разница частот невелика, две системы волн будут создавать «биения». Если две радиовещательные станции передают на близких длинах волн, мы слышим музыкальный тон или визг, возникающий из-за биений двух несущих волн; отдельные колебания слишком быстры, чтобы воздействовать на ухо, но они объединяются, создавая биения, которые достаточно медленны, чтобы воздействовать на ухо. Таким же образом отдельные волновые системы в субафире состоят из колебаний, слишком быстрых, чтобы воздействовать на наши грубые чувства; но их биения иногда достаточно медленны, чтобы попасть в октаву, воспринимаемую глазом. Эти биения являются источником света, исходящего от атома водорода, и математический расчет показывает, что их частоты в точности соответствуют частотам наблюдаемого света от водорода. Гетеродинирование радиочастотных несущих волн создает звук; гетеродинирование субафирных волн создает свет. Эта теория не только дает периоды различных линий в спектрах, но и предсказывает их интенсивности — задача, с которой старая квантовая теория не могла справиться. Следует, однако, понимать, что сами биения не должны отождествляться со световыми волнами; они находятся в субафире, тогда как световые волны находятся в эфире. Они обеспечивают колеблющийся источник, который каким-то еще не прослеженным образом испускает световые волны своей собственной частоты.
Что именно представляет собой сущность, которую мы предполагаем колеблющейся, когда говорим о волнах в субафире? Она обозначается через ψ, и, строго говоря, мы должны рассматривать ее как элементарное неопределяемое понятие волновой теории. Но можем ли мы дать ей классическую интерпретацию какого-либо рода? Кажется возможным интерпретировать ее как вероятность. Вероятность того, что частица или электрон находится в данной области, пропорциональна количеству ψ² в этой области. Так что если ψ в основном сконцентрировано в одной небольшой штормовой области, практически достоверно, что электрон находится там; мы тогда способны локализовать его определенно и представить его как классическую частицу. Но ψ-волны атома водорода распределены по всему атому; и нет никакой определенной локализации электрона, хотя некоторые места более вероятны, чем другие.
Необходимо обратить внимание на одно весьма важное следствие этой теории. Достаточно малая штормовая область соответствует почти в точности частице, движущейся по классическим законам движения; поэтому казалось бы, что частица, определенно локализованная как движущаяся точка, является строго пределом, когда штормовая область сводится к точке. Но, как ни странно, постоянно уменьшая область шторма, мы никогда не достигаем идеальной классической частицы; мы приближаемся к ней, а затем снова удаляемся от нее. Мы видели, что волновой пакет движется как частица (локализованная где-то в пределах области шторма), имеющая энергию, соответствующую частоте волн; поэтому, чтобы имитировать частицу в точности, не только область должна быть сведена к точке, но и группа должна состоять из волн только одной частоты. Эти два условия несовместимы. С одной частотой мы можем иметь только бесконечную последовательность волн, не ограниченную никакой границей. Граница группы обеспечивается интерференцией волн немного разной длины, так что, усиливая друг друга в центре, они гасят друг друга на границе. Грубо говоря, если группа имеет диаметр 1000 длин волн, должен быть диапазон длин волн в 0,1 процента, так что 1000 самых длинных волн и 1001 самых коротких занимают одно и то же расстояние. Если мы возьмем более концентрированную штормовую область диаметром 10 длин волн, диапазон увеличивается до 10 процентов; 10 самых длинных и 11 самых коротких волн должны простираться на одно и то же расстояние. Пытаясь сделать положение частицы более определенным путем уменьшения области, мы делаем ее энергию более расплывчатой путем диспергирования частот волн. Таким образом, наша частица никогда не может иметь одновременно совершенно определенное положение и совершенно определенную энергию; она всегда имеет расплывчатость того или иного рода, не подобающую классической частице. Следовательно, в тонких экспериментах мы ни при каких обстоятельствах не должны ожидать, что частицы будут вести себя в точности так, как предполагалось для классической частицы — вывод, который, по-видимому, согласуется с упомянутыми выше современными экспериментами по дифракции электронов.
Мы отметили, что шрёдингеровская картина атома водорода позволила ему обладать чем-то, что было бы невозможно в теории Бора, а именно двумя энергиями сразу. Для частицы или электрона это не просто допустимо, но обязательно — иначе мы не можем поставить никаких границ области, где он может находиться. Вас не просят представить состояние частицы с несколькими энергиями; имеется в виду, что наша текущая картина электрона как частицы с одной энергией потерпела крах, и мы должны нырнуть вниз, в субафир, если хотим проследить ход событий. Картину частицы, однако, можно сохранить, когда мы не стремимся к высокой точности; если нам не нужно знать энергию точнее, чем на 1 процент, серию энергий, варьирующихся в пределах 1 процента, можно рассматривать как одну определенную энергию.
До сих пор я рассматривал только волны, соответствующие одному электрону; теперь предположим, что у нас есть задача, включающая два электрона. Как они должны быть представлены? «Конечно, это достаточно просто! Нам нужно только взять две штормовые области вместо одной». Боюсь, что нет. Две штормовые области соответствовали бы одному электрону, который не уверен, в какой области он находится. Пока есть хоть малейшая вероятность того, что первый электрон находится в какой-либо области, мы не можем заставить волны Шрёдингера там представлять вероятность, принадлежащую второму электрону. Каждому электрону нужно все трехмерное пространство для его волн; поэтому Шрёдингер великодушно допускает три измерения для каждого из них. Для двух электронов ему требуется шестимерный субафир. Затем он успешно применяет свой метод по тем же линиям, что и раньше. Думаю, теперь вы видите, что Шрёдингер дал нам то, что казалось понятной физической картиной, только для того, чтобы снова ее отобрать. Его субафир не существует в физическом пространстве; он находится в «конфигурационном пространстве», воображаемом математиком с целью решения своих задач, и воображаемом заново с разным количеством измерений в зависимости от поставленной задачи. Это было лишь случайностью, что в самых первых рассмотренных задачах конфигурационное пространство имело близкое соответствие с физическим пространством, предполагая некоторую степень объективной реальности волн. Волновая механика Шрёдингера — это не физическая теория, а уловка — и притом очень хорошая уловка.
Дело в том, что почти универсальная применимость этой волновой механики портит всякий шанс воспринимать ее всерьез как физическую теорию. Восхитительная иллюстрация этого встречается попутно в работе Дирака. В одной из задач, которую он решает с помощью волн Шрёдингера, частота волн представляет количество систем данного вида. Волновое уравнение формулируется и решается, и (точно так же, как в задаче об атоме водорода) обнаруживается, что решения существуют только для серии специальных значений частоты. Следовательно, количество систем рассматриваемого вида должно иметь одно из значений дискретной серии. В задаче Дирака серия оказывается серией целых чисел. Соответственно, мы делаем вывод, что количество систем должно быть 1, 2, 3, 4, ..., но никогда не может быть, например, 2¾. Удовлетворительно, что теория дает результат, столь хорошо согласующийся с нашим опытом! Но вряд ли нас убедят, что истинное объяснение того, почему мы считаем целыми числами, предоставляется системой волн.
Принцип неопределенности. Мое опасение, что четвертая версия новой квантовой теории появится до того, как лекции будут прочитаны, не оправдалось; но несколько месяцев спустя теория определенно вступила в новую фазу. Это снова Гейзенберг привел в движение новое развитие летом 1927 года, и последствия были далее разъяснены Бором. Результатом этого является фундаментальный общий принцип, который, по-видимому, по важности стоит в одном ряду с принципом относительности. Я буду здесь называть его «принципом неопределенности».
Суть его можно сформулировать следующим образом: частица может иметь положение, или она может иметь скорость, но она не может в каком-либо точном смысле иметь и то, и другое.
Если мы довольствуемся определенным пределом неточности и если мы довольствуемся утверждениями, которые не претендуют на достоверность, а только на высокую вероятность, то возможно приписать частице как положение, так и скорость. Но если мы стремимся к более точному определению положения, происходит нечто весьма замечательное; большая точность может быть достигнута, но она компенсируется большей неточностью в определении скорости. Аналогично, если определение скорости сделано более точным, положение становится менее определенным.
Предположим, например, что мы хотим узнать положение и скорость электрона в данный момент. Теоретически было бы возможно зафиксировать положение с вероятной ошибкой около 1/1000 миллиметра, а скорость — с вероятной ошибкой 1 километр в секунду. Но ошибка в 1/1000 миллиметра велика по сравнению с ошибкой некоторых наших измерений пространства; нет ли какого-либо мыслимого способа зафиксировать положение до 1/10000 миллиметра? Конечно; но в этом случае будет возможно зафиксировать скорость только с ошибкой в 10 километров в секунду.