"Бог не играет в кости": почему "архитектор" квантовой механики разозлил Эйнштейна

11 декабря исполняется 143 года со дня рождения знаменитого немецкого физика еврейского происхождения Макса Борна (1882 – 1970). Он является одним из создателей квантовой механики, который также внес значительный вклад в физику твердого тела и оптику. Борн является автором фундаментальных результатов в квантовой теории. Он стал одним из основоположников матричной механики и предложил вероятностную интерпретацию волновой функции Шредингера. Работы Макса Борна произвели революцию в квантовой физике. Также ученый вызвал негодование у Альберта Эйнштейна своими выводами.

"Архитектор" квантовой механики

Макс Борн — один из создателей квантовой механики, чьи идеи лежат в основе нашего понимания субатомного мира. Работы Борна, посвященные волновой функции, интересны тем, что показывают, как Вселенная может быть непредсказуемой и загадочной в своих мельчайших масштабах, но при этом мы можем понять ее с помощью математики. Правило Борна открыло путь к открытиям, лежащим в основе современных устройств, таких как лазеры и микропроцессоры.

Макс Борн начал свой академический путь с математики. Его больше интересовали абстрактные математические идеи, чем физика. Однако все изменилось с началом квантовой революции в Европе, когда Борн занялся изучением волновой функции — ключевого элемента квантовой физики.

Макс Борн получил Нобелевскую премию по физике в 1954 году за открытия, сделанные им за почти 30 лет до этого. Борн получил Нобелевскую премию вместе с немцем Вальтером Боте "за фундаментальные исследования в области квантовой механики, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции".

Борн также разработал матричную механику — одну из первых полных математических формулировок квантовой механики.

Правило Борна

Самым главным достижением Макса Борна в области квантовой механики является создание вероятностной интерпретации волновой функции – правило Борна. Согласно этому правилу квадрат амплитуды волновой функции описывает плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства. Это сделало квантовую механику по своей сути вероятностной. Борн первым предположил, что в квантовом мире мы не можем точно знать, где находится частица, а можем лишь вычислить вероятность ее нахождения в определенном месте.

Правило Борна — это один из фундаментальных законов квантовой механики, который связывает абстрактную математику (волновую функцию) с реальным физическим миром (результатами измерений). Это открытие произвело революцию в квантовой физике. До Борна физика была детерминистской: если знать начальные условия, можно точно предсказать будущее. Правило Борна ввело фундаментальную случайность: мы не можем предсказать, где точно окажется частица, мы можем предсказать только вероятность того, что она окажется в определенном месте.

Без правила Борна квантовая механика была бы просто абстрактной математической теорией без связи с реальностью.

Спор Борна с Альбертом Эйнштейном

Хотя Борн дружил с Альбертом Эйнштейном, двое ученых имели кардинально разные взгляды на квантовую физику. Эйнштейн был сторонником детерминизма и не мог смириться с тем, что в основе реальности лежит случайность, которую определил Борн.

Борн писал Эйнштейну письма, оспаривающие детерминизм. Ученый защищал квантовую неопределенность, на что Эйнштейн ответил: "Бог не играет в кости". Эта фраза была написана в письме Эйнштейна Борну в 1926 году.

Эта фраза означает несогласие Эйнштейна с идеей случайности в квантовой физике, подчеркивая убеждение, что Вселенная подчиняется строгим, предсказуемым законам, а не хаотичным броскам "костей".

Несмотря на этот научный спор, Борн и Эйнштейн поддерживали дружеские отношение в течение нескольких десятилетий.

Квантовая механика простыми словами

Квантовая механика представляет собой набор правил, которые описывают поведение объектов в квантовом мире, то есть в очень маленьких масштабах на уровне субатомных частиц. Классическая физика описывает нашу реальность в крупных масштабах.

В классической физике вы всегда можете предсказать поведение того или иного объекта, но в квантовом мире вы ничего не знаете наверняка, ведь существуют только вероятности.

Главные принципы квантовой механики:

• Корпускулярно-волновой дуализм. Он означает, что квантовом мире объекты могут одновременно быть и классическими частицами, и волнами в зависимости от определенных условий.
• Суперпозиция. Этот термин означает, что любая частица пока за ней не наблюдают и не проведены измерения ее свойств, не находится в каком-то одном состоянии. Она находится во всех возможных состояниях сразу. Знаменитым примером квантовой суперпозиции является кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
• Эффект наблюдателя. Одним из самых странных явлений в квантовой механике являются то, что сам факт наблюдения за квантовым объектом и его измерение, меняет поведение этого объекта. То есть наблюдение за частицей разрушает квантовую суперпозицию.
• Квантовая запутанность. Две частицы, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились могут быть неразрывно связаны между собой. Это значит, что изменение состояния одной частицы мгновенно приводит к изменению состояния другой частицы. Эйнштейн называл это "жутким действием на расстоянии", потому что это кажется невозможным, но это работает.

Почему для нас важна квантовая механика?

Это не просто абстрактная теория. Без понимания странностей квантового мира у нас не было бы компьютеров и смартфонов, лазеров, аппаратов МРТ и системы GPS. И это лишь некоторые примеры того, как квантовая механика навсегда изменила наши технологии.

Макс Борн: главные факты биографии

Макс Борн родился в городе Бреслау, Германия, (ныне Вроцлав, Польша) в семье Густава Борна, который был профессором анатомии и эмбриологии. Макс Борн был женат и имел троих детей: в семье родились две дочери и сын.

С 1921 по 1933 год был профессором теоретической физики в Геттингенском университете (Германия) и создал там одну из крупнейших и влиятельнейших школ теоретической физики.

В 1933 году, согласно законам, принятым нацистами в Германии, Макс Борн был уволен из университета из-за своего еврейского происхождения и вынужден эмигрировать в Великобританию.

После недолгой работы в Кембридже (1933-1936), Борн занял пост профессора естественной философии в Эдинбургском университете (Шотландия), где оставался до выхода на пенсию в 1952 году. В Эдинбурге Борн создал научную школу, привлекавшую многочисленных аспирантов и молодых ученых со всего мира.

Среди учеников Борна были будущие лауреаты Нобелевской премии, такие как Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Энрико Ферми и Роберт Оппенгеймер (создатель ядерной бомбы).

После Второй мировой войны Борн стал одним из основателей и активных участников движения ученых за мир. Он был ярым сторонником был ярым сторонником мирного использования науки и был критиком использования ядерного оружия.

В 1953 году Борн вернулся в Германию и умер в Геттингене в 1970 году.

Как уже писал Фокус, некоторые физики считают, что время может быть вообще не существует. Природа времени — одна из самых больших проблем физики, в отношении которой ученые не могут прийти к единому мнению.