В преддверии дня знаний отметим столетие статьи, которая разделила на до и после квантовую механику, да и всю теоретическую физику. Летом 1925 года 23-летний Вернер Гейзенберг публикует работу «О квантовотеоретическом переосмыслении кинематических и механических соотношений». Попытаюсь объяснить, что же в этой статье такого переломного без привлечения математики.

Если нагреть какой-нибудь газ или твёрдое тело, а потом посмотреть на то, что нагретый объект излучает через призму, то можно увидеть на некоторых частотах излучение особенно сильно. На картинке – видимый спектр излучения водорода. Каждый элемент таблицы Менделеева имеет свой уникальный спектр излучения, как отпечатки пальцев. Когда вы слышите о химическом составе Солнца или атмосферы Нептуна, вам на самом деле говорят, какие спектральные линии в них обнаружили. Гелий вообще открыли по спектральным линиям, которые до момента не были обнаружены на Земле.

В 1888 Ридберг изучал спектральные линии водорода и открыл формулу своего имени. Между частотами спектра существует определённая закономерность, но физический смысл этого открытия оставался (и в некотором смысле до сих пор остаётся) тайной, покрытой мраком. Появление «старой» квантовой механики не особенно помогло. Допустим учёные приняли за основу планетарную модель, когда электроны крутятся вокруг ядра по определённым орбитам. Если электрон переходит с орбиты с высокой энергией на орбиту с низкой энергией, но он испускает квант света, который соответствует определённой частоте спектра. Звучит хорошо, но такой атом просто не может существовать долго, а, если не брать водород, то теоретические предсказания не соответствовали опыту.

Эту-то проблему и «решил» Гейзенберг, взяв за основу идею своего друга Паули: «В теории не должно быть того, что мы не наблюдаем, а только отношения между наблюдаемыми явлениями». Вот буквально: хрен с ней с позицией и скоростью электрона внутри атома, которые мы наблюдать принципиально не можем, а вот частоты излучения, энергии и вероятности, пожалуйста.

Фактически Гейзенберг стал основоположником принципа «Заткнись и считай». Зачем задавать вопросы о внутренней сущности явления, если можно прогнозировать результаты эксперимента и без этого всего. Далеко не все физики согласились с таким подходом, в частности Эйнштейн и Шредингер, да в целом все, кто в той или иной мере несогласен с «копенгагенской интерпретацией».

Из забавного. Если электрон в атоме делает переход из состояния 1 в состояние 2, а потом из 2 в 3, то такое событие в математике Гейзенберга описывалось умножением неких сущностей. Он очень удивился и даже расстроился, когда понял, что его «умножение» некоммутативно, то есть от перемены мест множителей произведение меняется! А вот Бору была известна линейная алгебра, и он сразу понял, что Гейзенберг переоткрыл умножение матриц. Кстати, именно с тех самых пор линейную алгебру стали широко преподавать в ВУЗах прямо с первого курса. Если вам кажется странным правила умножения матриц, то помните, это как-то связано с геометрией и излучением нагретых тел. 😊