"Бог не грає в кості": чому "архітектор" квантової механіки розлютив Ейнштейна

11 грудня виповнюється 143 роки від дня народження знаменитого німецького фізика єврейського походження Макса Борна (1882 — 1970). Він є одним із творців квантової механіки, який також зробив значний внесок у фізику твердого тіла та оптику. Борн є автором фундаментальних результатів у квантовій теорії. Він став одним з основоположників матричної механіки і запропонував імовірнісну інтерпретацію хвильової функції Шредінгера. Роботи Макса Борна зробили революцію у квантовій фізиці. Також учений викликав обурення в Альберта Ейнштейна своїми висновками.

"Архітектор" квантової механіки

Макс Борн — один із творців квантової механіки, чиї ідеї лежать в основі нашого розуміння субатомного світу. Роботи Борна, присвячені хвильовій функції, цікаві тим, що показують, як Всесвіт може бути непередбачуваним і загадковим у своїх найдрібніших масштабах, але при цьому ми можемо зрозуміти його за допомогою математики. Правило Борна відкрило шлях до відкриттів, що лежать в основі сучасних пристроїв, таких як лазери і мікропроцесори.

Макс Борн почав свій академічний шлях із математики. Його більше цікавили абстрактні математичні ідеї, ніж фізика. Однак усе змінилося з початком квантової революції в Європі, коли Борн взявся за вивчення хвильової функції — ключового елемента квантової фізики.

Макс Борн отримав Нобелівську премію з фізики 1954 року за відкриття, зроблені ним за майже 30 років до цього. Борн отримав Нобелівську премію разом із німцем Вальтером Боте "за фундаментальні дослідження в галузі квантової механіки, особливо за статистичну інтерпретацію хвильової функції".

Борн також розробив матричну механіку — одне з перших повних математичних формулювань квантової механіки.

Правило Борна

Найголовнішим досягненням Макса Борна в галузі квантової механіки є створення ймовірнісної інтерпретації хвильової функції — правило Борна. Згідно з цим правилом квадрат амплітуди хвильової функції описує густину ймовірності знаходження частинки в даній точці простору. Це зробило квантову механіку за своєю суттю ймовірнісною. Борн першим припустив, що у квантовому світі ми не можемо точно знати, де перебуває частинка, а можемо лише обчислити ймовірність її перебування в певному місці.

Правило Борна — це один із фундаментальних законів квантової механіки, який пов'язує абстрактну математику (хвильову функцію) з реальним фізичним світом (результатами вимірювань). Це відкриття зробило революцію у квантовій фізиці. До Борна фізика була детерміністською: якщо знати початкові умови, можна точно передбачити майбутнє. Правило Борна запровадило фундаментальну випадковість: ми не можемо передбачити, де точно опиниться частинка, ми можемо передбачити тільки ймовірність того, що вона опиниться в певному місці.

Без правила Борна квантова механіка була б просто абстрактною математичною теорією без зв'язку з реальністю.

Суперечка Борна з Альбертом Ейнштейном

Хоча Борн товаришував з Альбертом Ейнштейном, двоє вчених мали кардинально різні погляди на квантову фізику. Ейнштейн був прихильником детермінізму і не міг змиритися з тим, що в основі реальності лежить випадковість, яку визначив Борн.

Борн писав Ейнштейну листи, що заперечують детермінізм. Учений захищав квантову невизначеність, на що Ейнштейн відповів: "Бог не грає в кості". Цю фразу було написано в листі Ейнштейна Борну 1926 року.

Ця фраза означає незгоду Ейнштейна з ідеєю випадковості у квантовій фізиці, наголошуючи на переконанні, що Всесвіт підпорядковується суворим, передбачуваним законам, а не хаотичним кидкам "кісток".

Незважаючи на цю наукову суперечку, Борн і Ейнштейн підтримували дружні стосунки протягом кількох десятиліть.

Квантова механіка простими словами

Квантова механіка являє собою набір правил, які описують поведінку об'єктів у квантовому світі, тобто в дуже маленьких масштабах на рівні субатомних частинок. Класична фізика описує нашу реальність у великих масштабах.

У класичній фізиці ви завжди можете передбачити поведінку того чи іншого об'єкта, але у квантовому світі ви нічого не знаєте напевно, адже існують тільки ймовірності.

Головні принципи квантової механіки:

• Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Він означає, що у квантовому світі об'єкти можуть одночасно бути і класичними частинками, і хвилями залежно від певних умов.
• Суперпозиція. Цей термін означає, що будь-яка частинка, поки за нею не спостерігають і не проведено вимірювання її властивостей, не перебуває в якомусь одному стані. Вона перебуває у всіх можливих станах одразу. Знаменитим прикладом квантової суперпозиції є кіт Шредінгера, який одночасно і живий, і мертвий.
• Ефект спостерігача. Одним із найдивніших явищ у квантовій механіці є те, що сам факт спостереження за квантовим об'єктом і його вимірювання, змінює поведінку цього об'єкта. Тобто спостереження за часткою руйнує квантову суперпозицію.
• Квантова заплутаність. Дві частинки, на якій би відстані одна від одної вони не знаходилися, можуть бути нерозривно пов'язані між собою. Це означає, що зміна стану однієї частинки миттєво призводить до зміни стану іншої частинки. Ейнштейн називав це "моторошною дією на відстані", тому що це здається неможливим, але це працює.

Чому для нас важлива квантова механіка?

Це не просто абстрактна теорія. Без розуміння дивацтв квантового світу в нас не було б комп'ютерів і смартфонів, лазерів, апаратів МРТ і системи GPS. І це лише деякі приклади того, як квантова механіка назавжди змінила наші технології.

Макс Борн: головні факти біографії

Макс Борн народився в місті Бреслау, Німеччина, (нині Вроцлав, Польща) у сім'ї Густава Борна, який був професором анатомії та ембріології. Макс Борн був одружений і мав трьох дітей: у сім'ї народилися дві доньки та син.

З 1921 до 1933 року був професором теоретичної фізики в Геттінгенському університеті (Німеччина) і створив там одну з найбільших і найвпливовіших шкіл теоретичної фізики.

У 1933 році, згідно із законами, ухваленими нацистами в Німеччині, Макса Борна звільнили з університету через його єврейське походження і він змушений був емігрувати до Великої Британії.

Після недовгої роботи в Кембриджі (1933-1936), Борн обійняв посаду професора природничої філософії в Единбурзькому університеті (Шотландія), де залишався до виходу на пенсію 1952 року. В Единбурзі Борн створив наукову школу, яка приваблювала численних аспірантів і молодих учених з усього світу.

Серед учнів Борна були майбутні лауреати Нобелівської премії, такі як Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паулі, Енріко Фермі та Роберт Оппенгеймер (творець ядерної бомби).

Після Другої світової війни Борн став одним із засновників і активних учасників руху вчених за мир. Він був затятим прихильником був затятим прихильником мирного використання науки і був критиком використання ядерної зброї.

У 1953 році Борн повернувся до Німеччини і помер у Геттінгені 1970 року.

Як уже писав Фокус, деякі фізики вважають, що час може бути взагалі не існує. Природа часу — одна з найбільших проблем фізики, щодо якої вчені не можуть дійти єдиної думки.