П’ятий Сольвеївський конгрес: знакова подія у історії квантової механіки

Сольвеївські конгреси – це унікальна серія наукових зібрань, започаткована бельгійським промисловцем Ернестом Сольвеєм (1838–1922). Народжений у заможній родині, Сольвей відзначився винахідництвом у хімічній промисловості: саме він розробив і вдосконалив промисловий метод виробництва соди, що забезпечив йому чималі статки. Маючи фінансову незалежність і щире зацікавлення у розвитку науки, Сольвей почав вкладати кошти у просування фізичних досліджень, зокрема заснував Сольвеївські інститути та ініціював регулярні міжнародні конференції.

Ернест Сольвей (1838–1922) Зображення суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41260542

Головна мета таких конгресів полягала у забезпеченні майданчика для обміну ідеями між найвідомішими науковцями того часу. Якщо інші наукові форуми того періоду зазвичай мали широку тематику, Сольвеївські конгреси робили акцент на найгарячіших проблемах сучасної фізики, що дозволяло зосередитися на глибинному обговоренні й формуванні нових теорій.

Учасники П’ятого Сольвеївського конгресу: найяскравіші наукові розуми ХХ століття

Коли мова заходить про П’ятий Сольвеївський конгрес, саме кількісний і якісний склад його учасників вражає уяву найбільше. У жовтні 1927 року під одним дахом зібралися 29 провідних фізиків, серед яких 17 Нобелівських лауреатів – унікальний випадок в історії науки. Ці люди вже тоді або пізніше отримали найвищу наукову відзнаку, і саме завдяки їхній спільній роботі квантова механіка та теорія відносності оформилися у повноцінні й потужні галузі сучасної фізики. Учасники, чиї імена стали класикою науки, нерідко згадуються як «зірки» фізики першої половини ХХ століття.

Серед них особливе місце посідає Альберт Айнштайн (1879–1955). Його відкриття змінили світогляд людей щодо простору, часу та світла. Розробивши спеціальну (1905) та загальну (1915) теорії відносності, він показав, що навіть базові уявлення про відстань і часові інтервали змінюються залежно від системи відліку. А пояснивши фотоефект, Айнштайн поклав початок розумінню корпускулярно-хвильової природи світла, що згодом призвело до ідей про фотони.

Іще однією зіркою на конгресі був Нільс Бор (1885–1962) – видатний фізик-теоретик, який першим запропонував «планетарну» модель атома і згодом розвинув концепції квантових переходів та принципу комплементарності. Саме завдяки Бору з’явилася «копенгагенська інтерпретація» квантової механіки, що наголошувала на імовірнісному, а не жорстко детермінованому описі підмножини мікросвіту.

Одночасно з Бором вагомий внесок у розвиток квантової теорії зробив і Макс Борн (1882–1970), який запропонував статистичне трактування хвильової функції. Він показав, що квадрат модуля хвильової функції може інтерпретуватися як імовірність виявити частинку в певній точці простору. Цей підхід відкрив шлях до глибшого розуміння, як розраховувати експериментальні результати у квантовій механіці й зіставляти їх із вимірюваннями.

Учасники п'ятого конгресу, 1927. Institut International de Physique Solvay у Леопольд-Парк. О. Піккар, Е. Анріо, П. Еренфест, E. Герцен, T. де Дондер, E. Шредінгер, Ж.-Е. Фершафельт, В. Паулі, В. Гейзенберг, Ральф Фаулер, Л. Бріллюен; П. Дебай, M. Кнудсен, В. Л. Брегг, Г. Крамерс, П. Дірак, A. Комптон, Л. Бройль, М. Борн, Н. Бор; І. Ленгмюр, M. Планк, М. Кюрі, Г. Лоренц, A. Айнштайн, П. Ланжевен, Ш. Е. Ґюі, Ч. Т. Р. Вільсон, О. В. Річардсон. Автор: Бенджамін Купрі - http://w3.pppl.gov/http://doi.org/10.3932/ethz-a-000046848, Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21332727

Яскраву сторінку в історії фізики вписав Вернер Гайзенберг (1901–1976), який на час конгресу був одним із наймолодших, але вже сформулював принцип невизначеності. Його ідея про те, що деякі характеристики частинок (наприклад, імпульс і координата) неможливо одночасно виміряти з довільною точністю, підірвала підвалини класичного детермінізму і стала наріжним каменем квантової механіки.

Не менш важливим був вклад Ервіна Шредінгера (1887–1961), котрий ще за рік до конгресу розробив хвильове рівняння, що описує, як змінюється стан квантової системи з часом. Це рівняння (тепер більш відоме як «рівняння Шредінгера») дало змогу одержати конкретні розв’язки для різноманітних фізичних систем, від простих атомів до складних молекул. Його роботи підштовхнули науковий світ до ідеї, що «хвиля» і «частинка» – це не окремі об’єкти, а радше різні прояви однієї глибинної реальності.

На П’ятому Сольвеївському конгресі була й Марія Склодовська-Кюрі (1867–1934), яка виділялася серед інших тим, що двічі здобула Нобелівську премію: у фізиці (1903) за дослідження радіоактивності разом із П’єром Кюрі та Анрі Бекерелем, а згодом у хімії (1911) – за відкриття нових хімічних елементів (радію і полонію) та вивчення їхніх властивостей. У часи, коли участь жінок у науці була рідкістю, Склодовська-Кюрі довела всьому світові, що наукові досягнення не знають гендерних меж. Її присутність підкреслювала відкритість Сольвеївських конгресів до всіх, хто робив внесок у передову науку, незалежно від статі чи національності.

Це лише декілька імен із 29 запрошених фізиків, але навіть їх досить, аби уявити собі масштаб геніальності, який панував на тодішніх засіданнях. У кожного зі згаданих учених були свої теоретичні підходи та експериментальні результати, які нерідко ставали приводами для гострих дискусій. Утім, саме завдяки різним поглядам і критичному аналізу ідеї квантової механіки розвивалися стрімкими темпами, а підсумком стало узгодження й поглиблення фундаментальних концепцій про будову мікросвіту.

Ця зустріч видатних умів у 1927 році не лише була єдиною в своєму роді з точки зору кількості Нобелівських лауреатів, а й уславилася тим, що в ході обговорень вироблялися нові методи дослідження та формувалися підходи до пояснення квантових явищ. Сьогодні, коли фізики створюють квантові комп’ютери та вивчають властивості елементарних частинок у прискорювачах, вони фактично продовжують теоретичну лінію, закладену цими ж науковцями на Сольвеївських конференціях. Саме тому П’ятий Сольвеївський конгрес нагадує нам про неймовірну силу інтелектуального об’єднання найкращих умів.

П’ятий Сольвеївський конгрес: тема «Електрони та фотони» – глибинні дискусії про квантову природу матерії

На час проведення П’ятого Сольвеївського конгресу світ фізики перебував у вирі наукової революції. Ідеї, що вплинули на формування квантової механіки, розвивалися з кінця XIX і початку XX століття, проте справжній прорив стався завдяки відкриттям, зробленим Максом Планком та Альбертом Айнштайном. Макс Планк (1858–1947) у 1900 році, досліджуючи теплове випромінювання, змушений був припустити, що енергія випромінюється порціями (квантами), адже класична фізика не пояснювала експериментальні дані про розподіл інтенсивності випромінювання. Поява «кванта дії» (h) викликала шок у науковій спільноті, бо передбачала, що процеси в мікросвіті можуть відбуватися не плавно, а стрибкоподібно. Тим часом Альберт Айнштайн (1879–1955) у 1905 році, досліджуючи фотоефект, використав поняття квантів світла для пояснення, чому електрони вилітають з металу, поглинувши певну мінімальну кількість енергії від світлової хвилі. Цей підхід суперечив панівним на той момент уявленням про виключно хвильову природу світла і започаткував ідею корпускулярно-хвильового дуалізму.

П’ятий Сольвеївський конгрес зосереджувався саме на тому, що в ті роки називали найгострішою проблемою новонародженої квантової механіки. Як описувати об’єкти, що демонструють і корпускулярні, і хвильові властивості? Ця особливість вперше була узагальнена Луї де Бройлем, який припустив, що будь-яка частинка матерії може мати хвильові характеристики, а світлові хвилі водночас поводяться як сукупність фотонів. Електрон, відкритий ще наприкінці XIX століття Дж. Дж. Томсоном, спочатку сприймався лише як маленька заряджена кулька, але коли експерименти продемонстрували явища дифракції та інтерференції електронів, учені почали розуміти, що класична «частинка» – це лише частина істини. Точно так само фотони, котрі Айнштайн назвав «квантами світла», мали хвильову природу з властивими їм інтерференцією та дифракцією.

Учасники П’ятого Сольвеївського конгресу сподівалися розв’язати або принаймні формалізувати низку нових питань, які породила квантова теорія. Зокрема, Вернер Гайзенберг (1901–1976) намагався показати, що існують природні обмеження у точності одночасного вимірювання імпульсу і координати, представивши свій знаменитий принцип невизначеності. Це суперечило традиційним уявленням класичної фізики про те, що прилад можна вдосконалити настільки, аби отримувати необмежено точні вимірювання. Нільс Бор (1885–1962) розвинув поняття комплементарності, пояснюючи, що хвильові та корпускулярні описи є двома доповнювальними поглядами, і кожен по-своєму істинний, залежно від експериментальних умов. Так утверджувався погляд, що у квантовому світі подекуди неможливо вказати на об’єкт однозначно як на хвилю чи частинку – це залежить від того, як саме ми здійснюємо спостереження.

Ці ідеї контрастували з позицією Альберта Айнштайна, який хоч і був серед фундаторів квантової теорії, усе ж залишався скептиком щодо її імовірнісної природи. Він пропонував уявні експерименти, намагаючись продемонструвати, що квантова механіка не є повною теорією світу і що непередбачуваність не може лежати в основі фундаментальних законів природи. Однак Бор та його колеги невпинно доводили, що дискретність і випадковість – це невіддільні риси мікросвіту. Саме ці затяжні інтелектуальні баталії визначили атмосферу П’ятого Сольвеївського конгресу. У численних приватних бесідах і публічних доповідях намагалися узгодити різні інтерпретації того, як поводяться електрони і фотони, наскільки повно описують їх рівняння Шредінгера та матрична механіка Гайзенберга, і чи може існувати прихований детермінізм, якого поки не розкрила теорія.

Усі ці дискусії мали виняткове значення для подальшого розвитку фізики. З одного боку, вони заклали фундамент того, що пізніше отримало назву копенгагенської інтерпретації квантової механіки, а з іншого – стимулювали пошуки альтернатив, як-от теорії прихованих параметрів, на які спирався Айнштайн у своїх сумнівах. Без загостреної уваги до проблеми дуалізму «електрони–фотони» не виникло б багатьох надзвичайних підрозділів сучасної науки, зокрема квантової електродинаміки, яка згодом успішно описала взаємодії світла та заряджених частинок на максимально точному рівні. Саме на основі тих ідей, що обговорювалися у 1927 році, через десятиліття були сформовані теоретичні концепції, котрі пояснюють електромагнітну взаємодію в масштабі субатомних частинок та відкривають шлях до вивчення фундаментальних констант природи.

Значення цієї події важко переоцінити, адже П’ятий Сольвеївський конгрес став історичним перетином філософських, теоретичних і експериментальних пошуків. Тут квантова механіка вийшла за межі суто теоретичних обговорень і стала невідворотним фактом наукового мислення XX століття. Учасники конгресу не тільки довели працездатність нової теорії, а й на конкретних прикладах обговорили поняття імовірності, природну мінливість результатів вимірювання та обмеження спостережуваних величин. Підсумком стало утвердження нового наукового світогляду, де електрони та фотони постають унікальними об’єктами з двоякою природою, а грань між детермінізмом і випадковістю виявляється набагато складнішою, аніж це здавалося класичній фізиці.

Усе це дає нам право називати конгрес 1927 року в Брюсселі одним із поворотних моментів в історії науки. Його наслідки виходять далеко за межі чистої фізики й торкаються філософських питань про те, як ми пізнаємо реальність і наскільки точно можемо її описати. Знання, що були шліфовані на П’ятому Сольвеївському конгресі, стали підґрунтям сучасних технологій, від лазерів і транзисторів до квантових комп’ютерів і нанотехнологій. Історія цієї конференції показує, як амбітні ідеї початку XX століття знайшли своє логічне продовження у вияві цілком реальних високотехнологічних досягнень XXI століття.

Джерела:

1. Planck M. Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum // Annalen der Physik. 1900. № 4 (309). С. 553–563. DOI: 10.1002/andp.19013090310

2. Fifth Solvay Conference // Wikipedia: The Free Encyclopedia [Електронний ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Fifth_Solvay_Conference (дата звернення: 16.02.2025).

3. Born M. My Life: Recollections of a Nobel Laureate. London: Taylor & Francis, 1978. 327 с. URL: https://books.google.com/books/about/My_Life.html?id=2hXvAAAAMAAJ (дата звернення: 16.02.2025).

4. Pais A. Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Princeton: Princeton University Press, 1982. 552 с. URL: https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691160207/subtle-is-the-lord (дата звернення: 16.02.2025).