Когато Бор греши: Влиянието на един малко известен труд върху развитието на квантовата теория

Като принос към отбелязването на Международната година на квантовата наука и технологии ви представяме една статия на Филип Бол (Philip Ball), в която авторът се вглежда в квантовото минало и разкрива един малко известен труд, публикуван от Нилс Бор, Хендрик Крамерс и Джон Слейтър през 1924 г. В него тримата физици предполагат, че първият закон на термодинамиката може да не е абсолютно валиден. Тяхната идея се оказа погрешна, но по интересен и провокативен начин, и демонстрира интензивната турбулентност във физиката на прага на квантовата механика.

Преди сто и една години датският физик Нилс Бор предлага радикална теория заедно с двама млади колеги – Хендрик Крамерс и Джон Слейтър – в опит да разреши някои от най-объркващите проблеми във фундаменталната физика по това време. Озаглавена "Квантовата теория на радиацията" (The Quantum Theory of Radiation) и публикувана във Philosophical Magazine, тяхната хипотеза бързо е доказана, че е погрешна и оттогава се превръща в бележка под линия в историята на квантовата механика.

Въпреки бързия си провал, теорията им перфектно илюстрира чувството на криза, което физиците са изпитвали по това време, и радикалните идеи, които са били готови да обмислят, за да я разрешат. В труда си от 1924 г. Бор и неговите колеги твърдят, че откритието на "кванта на действието" може да изисква отхвърлянето на нищо по-малко от Първия закон на термодинамиката: запазването на енергията.

Докато празнуваме столетието от квантовия пробив на Вернер Хайзенберг през 1925 г. с Международната година на квантовата наука и технологии (IYQ) 2025, трудът на Бор от 1924 г. предлага поглед върху това как се е развила квантовата революция. Повечето физици по това време са смятали, че ако някой може да спаси физиката от кризата, това ще е Бор. Всъщност този опит ясно показва признаци на ранния разрив между Бор и Алберт Айнщайн относно квантовия свят, който ще се превърне в дългогодишен спор. Забележително е, че трудът също използва идея, която по-късно ще се появи в една от най-известните алтернативи на "Копенхагенската интерпретация на квантовата механика" на Бор.

Кризата в квантовата физика

Кризата започва още през 1900 г., когато Макс Планк въвежда понятието квантуването на енергията през 1900 г.,  за за изчисляване на спектъра на радиация от топло, перфектно абсорбиращо "черно тяло". През 1905 г. Алберт Айнщайн приема тази идея буквално за обяснение на фотоелектричния ефект, твърдейки, че светлината се състои от пакети (порции) или кванти електромагнитна енергия, които сега наричаме фотони..

През 1912 г., работейки в лабораторията на Ърнест Ръдърфорд в Манчестър, Нилс Бор разработва квантовата теория на атома, базирана на идеята, че електроните обикалят около ядрото по определени орбити и могат да прескачат с "квантови скокове" между тях чрез излъчване или поглъщане на фотони. Въпреки че теорията му не е математически обоснована, тя успешно предсказва спектъра на водородния атом и му носи Нобелова награда за физика през 1922 г.

Противоречиви възгледи. Непоколебимите физици Алберт Айнщайн и Нилс Бор са имали противоположни възгледи относно квантовите основи от самото начало, което се превръща в доживотен научен спор между двамата. Кредит: Paul Ehrenfest/Wikimedia Commons

Бор няма теоретична обосновка за това предположение, но показва, че като го приеме, може да предскаже (повече или по-малко) спектъра на водородния атом. За тази работа Бор получава Нобелова награда за физика през 1922 г. , същата година, в която Айнщайн получава наградата за работата си върху светлинните кванти и фотоелектричния ефект (той я получава през 1921 г., но не успява да присъства на церемонията).

През 1917 г. Бор създава Института за теоретична физика в Копенхаген (сега Институт Нилс Бор), където търси нова, последователна теория на квантовата механика.

В този период трите водещи центъра за квантова физика са лабораториите на Арнолд Зомерфелд в Мюнхен, Макс Борн в Гьотинген и Бор в Копенхаген. Един от младите физици, привлечени от Бор, е холандският учен Хендрик Крамерс, който се присъединява към екипа му, за да разработва математическите основи на квантовата теория.

Холандският физик Хендрик Крамерс прекарва 10 години като асистент на Нилс Бор в Копенхаген. Кредит: Wikimedia Commons

Холандският физик Хендрик Крамерс се е надявал да работи върху докторската си степен с Борн – но през 1916 г. Първата световна война изключва това и затова той избира вместо това Копенхаген, в политически неутрална Дания. Там той става асистент на Бор в продължение на десет години: както в случая с няколко от учениците на Бор, Крамърс се занимава с математиката (това никога не е било силната страна на Бор), докато Бор дава идеите, философията. В крайна сметка Крамърс работи върху впечатляващ набор от проблеми, от физикохимията до чистата математика.

Радикалните идеи на Бор и екипа му

През 1920-те години физиците изпитват сериозни затруднения при моделирането на електронните орбити в атома. Бор и Вернер Хайзенберг стигат до извода, че може би трябва да се откажат от идеята за определени траектории на частиците в пространството и времето и че за квантови системи като атомите трябва да се изостави всякакъв опит да се изгради физическа картина.

Това мнение обаче среща съпротива, особено от страна на Айнщайн, който смята, че науката трябва да описва физическия свят чрез реални обекти и тяхното движение.

Друго предизвикателство в старата квантова теория е, че тя не обяснява кога ще настъпят квантовите "скокове". Според класическата физика движенията са плавни и причинно обусловени, но в квантовата теория електроните като че ли сами решават кога да "скочат" между орбитите. Както Хайзенберг по-късно ще обяви в своята статия от 1927 г. за принципа на неопределеността (Zeitschrift für Physik 43 172), квантовата теория "установява окончателния провал на причинно-следствената връзка".

Тези идеи не са единственият източник на триене между копенхагенския екип и Айнщайн. Освен това Бор не приема концепцията за фотоните като реални частици, въпреки че тя успешно обяснява фотоелектричния ефект.

През 1924 г. Луи дьо Бройл предлага обратната идея – че не само светлината, но и електроните могат да имат вълнови свойства. В началото Айнщайн смята това за прекалено екстравагантно, но по-късно подкрепя идеята.

Където вълните те отведат (Появата на теорията BKS)

През 1924 г. тези почти еретични идеи едва започват да се появяват на повърхността, но създават такова усещане за криза, че изглежда всичко е възможно. През 1960-те години историкът Пол Форман предполага, че тревожната атмосфера във физиката е част от още по-широко културно течение.

Отхвърляки причинно-следствената връзка и материализма, германските квантови физици, казва Форман, се опитват да съгласуват идеите си с отхвърлянето на механистичното мислене, докато приемат ирационалното – както е модата във философските и интелектуалните кръгове на обсадената Ваймарска република. Идеята е горещо обсъждана от историци и философи на науката – но със сигурност в Копенхаген, а не в Мюнхен или Гьотинген, се развиват най-радикалните нагласи към квантовата теория.

През 1923 г. американският физик Джон Кларк Слейтър се премества в Копенхаген и предлага концепцията за "виртуално поле", което се разпространява в квантовата система. Кредит: Emilio Segrè Visual Archives General Collection/MIT News Office 

През 1923 г. младият американски физик . Джон Кларк Слейтър пристига в Копенхаген, той има докторска степен по физика от Харвард, се появи в института на Бор с една смела идея: квантовите частици могат да се движат, "плава" по вълново поле, което действа като "пилотна вълна". Бор не харесва концепцията за фотоните, но приема идеята за "виртуално поле", което свързва различни части на квантовата система.

"Знаете онези трудности да не знаете дали светлината е старомодни вълни или светлинни частици на г-н Айнщайн", пише той на семейството си по време на престой в Кеймбридж през ноември. "Имах наистина обнадеждаваща идея… Те са както вълни, така и частици, а частиците са нещо като носени от вълните, така че частиците да отидат там, където ги понесат вълните." 

В резултат на това Бор, Крамерс и Слейтър разработват теорията BKS (по инициалите на тримата) и публикуват статия в Philosophical Magazine през 1924 г. ( 47 (281) 785 ). 

В нея се твърди, че квантовите системи могат да комуникират помежду си чрез виртуално поле, което предизвиква преходите между енергетичните състояния. Този механизъм би могъл да разреши дългогодишния въпрос как един атом "знае" коя честота на светлината да излъчва, за да достигне друго енергийно ниво: виртуалното поле ефективно поставя атома "в контакт" с всички възможни енергийни състояния на системата.

Това обаче означава, че трябва да се откажем не само от причинността, но и от закона за запазване на енергията и импулса – според тях тези закони важат само статистически, но не и за индивидуални събития.

Изоставените причинност и запазване и опровергаването на BKS

Теорията BKS предизвиква разнопосочни реакции. Айнщайн я отхвърля категорично, а Волфганг Паули, който е работил в Копенхаген през 1922-23 г., признава, че е "напълно негативно" настроен към идеята. Борн и Шрьодингер са по-благосклонни.

Но окончателната присъда идва от експеримента.

През 1925 г. немските физици Валтер Боте и Ханс Гайгер в Берлин проверяват дали при разсейването на рентгенови лъчи от електрони се запазва енергията в отделните взаимодействия.

След като прочита статията на BKS, Боте решава, че "бе очевидно, че този въпрос ще трябва да бъде решен експериментално, преди да може да се постигне определен напредък."

Експерименталните арбитри немските физици Валтер Боте и Ханс Гайгер (вдясно) провеждат експеримент за изследване на статията на BKS, която разглежда разсейването на рентгенови лъчи от електрони, за да определи запазването на енергията в микроскопични мащаби. Кредит: IPP/© Архив на обществото Макс Планк

През април 1925 г. Гайгер и Боте откриват, че енергията и импулсът се съхраняват с голяма точност, което опровергава BKS теорията. По-късно Артър Комптън и Алфред Саймън потвърждават резултатите чрез експерименти с облачна камера. (Phys. Rev. 26 289).

Наследството на BKS теорията

За работата си Боте получава Нобелова награда за физика през 1954 г. Той я сподели с Борн за работата си върху квантовата теория, а Гайгер със сигурност щеше да бъде трети получател, ако не бе починал през 1945 г. В своята Нобелова реч Боте категорично заявява, че "стриктната валидност на закона за запазване на енергията дори в елементарния процес е демонстрирана и гениалният изход от проблема вълна-частица, обсъждан от Бор, Крамерс и Слейтър, е доказано, че е задънена улица.

Бор се примирява с поражението си, като пише на свой колега през април 1925 г.:

"Изглежда... няма какво друго да направим, освен да дадем на нашите революционни усилия възможно най-почтено погребение."

Джон Слейтър обаче остава недоволен. Той смята, че Бор и Крамерс са изопачили първоначалната му идея за пилотната вълна.

Няколко месеца след опровержението на BKS теорията Вернер Хайзенберг разработва първата съвременна версия на квантовата механика – матричната механика. Тя въвежда вероятностния характер на квантовите процеси и поставя основите на Копенхагенската интерпретация, която отрича класическата причинност.

В ретроспекция теорията BKS остава погрешна, но има огромно значение за развитието на физиката. Експериментите, които я опровергават, утвърждават закона за запазване на енергията и импулса, а идеята за вероятностната интерпретация на квантовата механика става основополагаща.

"Въпреки краткия си живот, теорията на BKS бе изключително важна", казва историкът Хелге Краг (Helge Kragh), сега почетен професор в института Нилс Бор. "Нейният радикално нов подход проправи пътя за по-добро разбиране, че методите и концепциите на класическата физика не могат да бъдат пренесени в бъдещата квантова механика."

Експериментът на Боте-Гайгер, който [статията] вдъхнови, не бе просто важен крайъгълен камък в ранната физика на елементарните частици. Това също бе решаващ фактор в аргумента на Хайзенберг [за] вероятностния характер на неговата матрична механика

През следващите няколко години Бор и Хайзенберг твърдят, че новата квантова механика наистина разбива причинно-следствената връзка и разбива конвенционалната картина на реалността като обективен свят на обекти, движещи се в пространство-времето с фиксирани свойства. Подпомогнати от Борн, Волфганг Паули и други, те формулират "Копенхагенската интерпретация", която се превръща в преобладаваща визия за квантовия свят до края на века. (вж "Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност")

Напоследък учените работят върху концепции, подобни на тези, разработени от френския физик Луи дьо Бройл, за да изследват двойствеността вълна-частица в макроскопичен мащаб. Кредит Y. Couder et al. Europhysics News, EDP Sciences

А крайна сметка концепцията на Джон Слейтър за пилотните вълни е развита от Луи дьо Бройл и Дейвид Бом, но дълго време е отхвърляна от научната общност. Днес тя има поддръжници, които я разглеждат като алтернатива на Копенхагенската интерпретация. (вж "Защо Луи де Бройл, нобелов лауреат по физика, изостави теорията си за пилотните вълни?")

Независимо дали това е правилният начин да се мисли за квантовата механика, теорията на пилотните вълни засяга дълбоките философски проблеми на тази област. Можем ли да спасим една обективна реалност на конкретни частици със свойства, описани от скрити променливи, както се е застъпвал Айнщайн, от размития воал, с който Бор и Хайзенберг сякаш са покрили квантовия свят? Може би Слейтър поне би бил доволен да знае, че Бор все още няма последната дума.

Още по темата

05/12/2024

Физика

Защо Луи де Бройл, нобелов лауреат по физика, изостави теорията си за пилотните вълни?

20/09/2024

Физика

Може ли, предефинирайки реалността, да решим най-големия проблем на квантовата теория?

10/01/2016

Физика

"Какво всъщност е реалността?" - отговаря квантовата физика

28/05/2015

Физика

Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност