Неопределеността на Хайзенберг: как квантовата механика постави под въпрос самата реалност

Ключовите битки на разума за същността на света.

През 1926 г. напрежението в Института по теоретична физика в Копенхаген, основан 10 години по-рано от датския физик Нилс Бор, рязко нараства. Институтът, създаден за разработване на нова теория на атомите, се превръща в място на ожесточени спорове между учените. През 1925 г. едно от протежетата на Бор, талантливият и амбициозен германски физик Вернер Хайзенберг, предлага именно такава теория, но нейното тълкуване предизвиква разгорещени дискусии за самата същност на физическата реалност.

В началото на XX век Бор успява да шокира научната общност със смелата си теория за структурата на атомите, основана на идеята, предложена от немския физик Макс Планк през 1900 г. Според теорията на Бор електроните, обикалящи около плътното централно ядро на атома, могат да заемат само и единствено строго определени орбити и да се прехвърлят между тях, излъчвайки или поглъщайки светлина под формата на дискретни порции енергия, наречени кванти. За тази теория Бор получава Нобелова награда през 1922 г., но тя е смесица от традиционната физика и новата квантова хипотеза на Планк. Бор се опитва да създаде по-дълбоко обяснение, основано на новата механика на квантите, което да обясни необичайното поведение на атомите.

През 1925 г. Хайзенберг разработва квантовата механика, докато е на остров Хелголанд в Северно море, където се опитва да се справи с тежка алергия. Хайзенберг предлага радикалната идея да се използват експериментално измерените числа за честотите на светлината, излъчвана от атомите, под формата на матрици, които биха позволили изчисления, например за прогнозиране на интензивността на излъчваните лъчи. Тази матрична квантова механика е изглеждала като пробива, който Бор е чакал. Тя обаче не даде никаква представа за това какво означават тези математически резултати за реалния свят.

През 1926 г. ситуацията става още по-объркана. В Копенхаген Бор, Хайзенберг и техните колеги, включително австрийският физик Волфганг Паули и бившият наставник на Хайзенберг Макс Борн, не са съгласни с учени като Алберт Айнщайн и австрийския физик Ервин Шрьодингер как да тълкуват новата квантова механика. В началото на същата година Шрьодингер предлага алтернативна квантова механика, основана на вълновата теория, която изглежда връща физическата картина на случващото се. Хайзенберг обаче отхвърлил тази теория, а Шрьодингер на свой ред изразил отвращението си от квантовите скокове, заложени в матричната механика на Хайзенберг.

Скоро дори в рамките на Копенхагенската група започват разногласия. Бор е склонен да приеме вълните на Шрьодингер и да превърне концепцията за „допълнителност“ в ключов елемент на квантовата механика, докато Хайзенберг иска да се придържа само към математиката. Споровете им са толкова ожесточени, че почти довеждат Хайзенберг до сълзи.

През пролетта на 1927 г., когато Бор заминава на ски ваканция в Норвегия, Хайзенберг пише статия, в която се опитва да обясни какво означава неговата матрична механика за квантовите обекти. Той стига до заключението, че някои двойки свойства на квантовите частици не могат да бъдат едновременно измерени с желаната точност: ако едното се измери по-точно, другото става по-малко определено. Това довело до формулирането на „принципа на неопределеността“, според който в природата съществува фундаментална неопределеност.

Хайзенберг изпраща статията си за публикуване, докато Бор е на ски, но след завръщането на Бор открива, че Бор смята статията за грешна. Хайзенберг се съгласява да добави бележка под линия, в която да признае мнението на Бор за допълнителността на вълните и частиците, като подчертава, че приятелството им е по-важно от физиката.

Същността на квантовата механика поражда предизвикателство към основите на цялата наука. Хайзенберг твърди, че фактите за света се определят само когато се измерват. Така например, ако измерите скоростта на един електрон, позицията му остава неопределена и обратно. Този подход е отхвърлен от Айнщайн, който не може да приеме, че е невъзможно да се определят всички необходими факти за пълното описание на даден физически процес.

Изминали са сто години, а учените все още спорят какво означава квантовата механика за природата на реалността. Появиха се алтернативни интерпретации на квантовата механика, като например теорията за „пилотната вълна“ на Луи дьо Бройл и Дейвид Бом и „интерпретацията на многото светове“ на Хю Еверет. Въпреки това нито една от тях все още не е дала задоволително обяснение.

Когато Шрьодингер посещава Копенхаген през 1926 г., той се сблъсква със силна опозиция от страна на колегите си, включително Бор, който не прекратява дискусията дори до леглото на болния Шрьодингер. Въпреки че математиката на неговата вълнова механика се оказва полезна, тя не възстановява реалността, която Шрьодингер и Айнщайн са търсили.

Хайзенберг твърдял, че квантовата механика нарушава обичайните закони за причинно-следствената връзка, като прави света по-несигурен и субективен. Реалността, която преди се е възприемала като свят на частици, взаимодействащи си по точни закони, сега се представя като набор от възможности, в които обективният наблюдател вече не може да заеме стабилна позиция.

Тази картина на света не се е харесала на много учени, включително и на Айнщайн, които са се опитали да върнат традиционното разбиране за реалността. Учени като Бор обаче твърдели, че е необходимо да се приеме една нова реалност, в която светът остава напълно неопределен, докато не бъде измерен.

Днес, въпреки че експериментите все още не дават окончателен отговор на въпросите на квантовата механика, става ясно, че познатият ни свят е начинът, по който квантовата механика се проявява на макроравнище. Може би в даден момент ще бъде разработена нова теория, която ще даде по-дълбоко разбиране за природата на реалността. А може би групата на Бор е била права, като е твърдяла, че трябва да приемем света такъв, какъвто е – полуоформен до момента, в който решим какъв ще бъде той.