МАКС БОРН
МАКС БОРН
(1882–1970)
Его имя ставят в один ряд с такими именами, как Планк и Эйнштейн, Бор, Гейзенберг. Борн по праву считается одним из основателей квантовой механики. Ему принадлежат многие основополагающие работы в области теории строения атома, квантовой механики и теории относительности.
Макс Борн родился 11 декабря 1882 года в Бреслау (ныне Вроцлав, Польша) и был старшим из двух детей Густава Борна, профессора анатомии университета Бреслау, и Маргарет (в девичестве Кауфман) Борн, талантливой пианистки, вышедшей из известной семьи силезских промышленников. Максу было четыре года, когда умерла его мать, а четыре года спустя его отец женился на Берте Липштейн, которая родила ему сына. Поскольку его семья была связана с ведущими интеллектуальными и артистическими кругами Бреслау, Макс рос в атмосфере, благоприятной для его развития. Начальное образование он получил в гимназии кайзера Вильгельма в Бреслау.
Хотя Макс собирался стать инженером, его отец посоветовал ему прослушать разнообразные курсы в университете Бреслау, куда он и поступил в 1901 году, после смерти своего отца. В университете Макс изучал многие предметы, однако вскоре увлёкся математикой и физикой. Два летних семестра он провёл в университетах Гейдельберга и Цюриха. В 1904 году он поступил в Гёттингенский университет, где занимался под руководством известных математиков — Давида Гильберта и Феликса Клейна, а также Германа Минковского. Гильберт, оценив интеллектуальные способности Борна, сделал его своим ассистентом в 1905 году. Макс, кроме того, изучал в Гёттингене астрономию. Ко времени получения степени доктора в 1907 году за диссертацию по теории устойчивости упругих тел его интересы переместились в область электродинамики и теории относительности.
По окончании университета Борн был призван на год на военную службу в кавалерийский полк в Берлине, но вскоре, спустя несколько месяцев, был демобилизован из-за астмы. Этот краткий опыт воинской службы укрепил в нём неприязнь к войне и милитаризму, которая сохранилась у него на всю жизнь.
Следующие шесть месяцев Борн занимался в Кембриджском университете, где посещал лекции Дж. Дж. Томсона. Вернувшись в Бреслау, он начал проводить экспериментальные исследования, а затем приступил к теоретической работе по теории относительности, развитой Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Объединив идеи Эйнштейна с математическим подходом Минковского, Борн открыл новый упрощённый метод вычисления массы электрона. Оценив эту работу, Минковский пригласил Борна вернуться в Гёттинген и стать его ассистентом. Однако Борн проработал с ним всего лишь несколько недель вследствие внезапной кончины Минковского, последовавшей в начале 1909 года.
Закончив в том же году теоретическое изучение теории относительности, Борн стал лектором в Гёттингене. Здесь он исследовал свойства кристаллов в зависимости от расположения атомов. Вместе с Теодором фон Карманом Борн разработал точную теорию зависимости теплоёмкости от температуры — теорию, которая до сих пор лежит в основе изучения кристаллов. Кристаллическая структура оставалась главной областью исследований Борна вплоть до середины двадцатых годов.
В 1913 году Борн женился на Хедвиге Еренберг, дочери гёттингенского профессора права. У них родились сын; который впоследствии стал главой фармакологического факультета в Кембридже, и две дочери.
В 1915 году Борн стал ассистент-профессором теоретической физики у Макса Планка в Берлинском университете. Во время Первой мировой войны, несмотря на своё отвращение к войне, Борн проводил военные исследования по звукометрии и давал оценку новым изобретениям в области артиллерии. Именно во время войны началась его дружба с Эйнштейном. Кроме физики, этих двух людей объединяла любовь к музыке, и они с удовольствием исполняли вместе сонаты — Эйнштейн на скрипке, а Борн на фортепиано.
После войны Борн продолжал исследования по теории кристаллов, работая вместе с Фрицем Габером над установлением связи между физическими свойствами кристаллов и химической энергией составляющих их компонент. В результате усилий двух учёных была создана аналитическая техника, известная под названием цикла Борна—Габера.
Когда Макс фон Лауэ выразил желание работать с Планком, Борн согласился поменяться с ним временно постами и отправился в 1919 году во Франкфуртский университет, чтобы занять место профессора физики и директора Института теоретической физики. Вернувшись через два года в Гёттинген, Борн стал директором университетского Физического института. Он поставил условие, чтобы его старый приятель и коллега Джеймс Франк был назначен в этот же институт руководить экспериментальной работой. Под руководством Борна Физический институт стал ведущим центром теоретической физики и математики.
Вначале Борн продолжил свои исследования по теории кристаллов в Гёттингене, но вскоре он стал разрабатывать математические основы квантовой теории. Хотя его работа с кристаллами была крайне важной и помогла заложить основы современной физики твёрдого тела, именно вклад Борна в квантовую теорию принёс ему самый большой успех.
К двадцатым годам большинство физиков было убеждено, что всякая энергия квантуется, однако первоначальная квантовая теория оставляла нерешёнными множество проблем. Борн хотел создать общую теорию, которая охватывала бы все квантовые эффекты.
В 1925 году ассистент Борна Вернер Гейзенберг сделал важнейший шаг в решении этой задачи, предположив, что в основе всех атомных явлений лежат определённые математические принципы. Хотя сам Гейзенберг не смог разобраться в математических основаниях найденных им соотношений, Борн понял, что Гейзенберг пользовался матричными операциями (математические преобразования, совершаемые по определённым правилам над таблицами чисел или переменных). С одним из студентов, Паскуалем Иорданом, Борн формализовал подход Гейзенберга и опубликовал результаты в этом же году в статье, озаглавленной «О квантовой механике». Термин квантовая механика, введённый Борном, должен был обозначать новую высокоматематизированную квантовую теорию, развитую в конце двадцатых годов.
Зимой 1925–1926 годов Борн был приглашённым лектором в Массачусетском технологическом институте. В 1926 году Шрёдингер развил волновую механику, содержащую формулировки, альтернативные квантовой механике, которая в свою очередь, как он показал, была эквивалентна формулировкам матричной механики. Возвращаясь к некоторым методам классической физики, волновая механика трактует субатомные частицы как волны, описываемые волновой функцией. Применяя принципы волновой механики и матричной механики в теории атомного рассеяния, Борн сделал вывод, что квадрат волновой функции, вычисленный в некоторой точке пространства, выражает вероятность того, что соответствующая частица находится именно в этом месте. По этой причине, утверждал он, квантовая механика даёт лишь вероятностное описание положения частицы. Борновское описание рассеяния частиц, которое стало известным как борновское приближение, оказалось крайне важным для вычислений в физике высоких энергий. Вскоре после опубликования борновского приближения Гейзенберг обнародовал свой знаменитый принцип неопределённости, который утверждает, что нельзя одновременно определить точное положение и импульс частицы. Снова здесь возможно лишь статистическое предсказание.
Статистическая интерпретация квантовой механики развивалась дальше Борном, Гейзенбергом и Бором; поскольку Бор, который жил в Копенгагене, проделал большую работу по этой интерпретации, она стала известна как копенгагенская интерпретация. Хотя ряд основателей квантовой теории, включая Планка, Эйнштейна и Шрёдингера, не соглашались с таким подходом, поскольку он отвергает причинность, большинство физиков приняло копенгагенскую интерпретацию как наиболее плодотворную. Борн и Эйнштейн вели длительную полемику в письмах по этому вопросу, хотя фундаментальное научное расхождение никогда не омрачало их дружбы. Известность Борна как реформатора квантовой механики, которая легла в основу новой картины строения атома и последующего развития физики и химии, привлекла многих одарённых молодых физиков к нему в Гёттинген.
После посещения физической конференции в Ленинграде в 1928 года у Борна ухудшилось состояние здоровья, сказались физические нагрузки, и он вынужден был провести год в санатории. Здесь он не терял времени даром, написав учебник по оптике, позднее запрещённый нацистами, но широко использовавшийся в англоязычных странах. Это был один из нескольких учебников и популярных трудов, написанных Борном по различным общим физическим вопросам; он опубликовал большое количество и специальных работ.
Борн был чрезвычайно обаятельным человеком. Одновременно он бывал весьма решителен и бескомпромиссен в тех случаях, когда дело касалось несправедливых поступков.
В 1932 году Борн стал деканом научного факультета в Гёттингене. После прихода к власти Гитлера в первый же месяц гёттингенский научный центр фактически перестал существовать. Много ведущих профессоров, в том числе и Борн, были отстранены от должности. Во главе институтов оказались фашистские гауляйтеры, далёкие от интересов науки. Многие учёные, стремившиеся ранее «не замечать» грязной политики, чтобы сохранить лишь академическую свободу, оказались в разных лагерях.
Борн покидает Германию и перебирается в Великобританию. Здесь он в течение следующих трёх лет был лектором в Кембридже. Проведя шесть месяцев в Индийском физическом институте в Бангалоре, где он работал с индийским физиком Венката Раманом, Борн занял пост профессора натурфилософии в Эдинбургском университете в 1936 году. В университете он преподавал и проводил исследования вплоть до своего ухода в отставку в 1953 году, когда он стал почётным профессором в отставке в Эдинбурге.
У Борна было много учеников. У него работали физики, ставшие позже крупными теоретиками. Достаточно перечислить их имена: Гейзенберг, Дирак и Паули, Ферми, Блеккет, Винер, Гейтлер, Вейскопф, Оппенгеймер, Теллер. У Борна работали крупные советские учёные: Фок, Френкель, Богуславский и Румер. У Борна как у учителя был очень сильно развит критический талант, но он был настолько тесно соединён с доброжелательностью, что все его ученики чувствовали себя как бы членами одной большой семьи, главной целью которой было познание. Он умел создавать такую атмосферу благожелательности, в которой каждый, не стесняясь, мог выбирать свой путь в решении занимающей всех проблемы.
Может быть, благодаря личным качествам Борна именно в его школе объединились люди, стоящие на самых крайних мировоззренческих позициях. Достаточно вспомнить, что Паскуаль Иордан, с которым Борн сделал немало великолепных физических работ, по своим философским взглядам характеризуется обычно как субъективный идеалист, тогда как сам Макс Борн был материалистом, а его другой ученик Дирак — атеистом, отрицавшим всякую религию.
Такое различие в мировоззрениях не мешало их научному сотрудничеству до тех пор, пока от каждого не потребовалось решительного определения своих политических взглядов с приходом к власти фашистов. Некоторые студенты и коллеги Борна уже успели получить Нобелевскую премию за работы по квантовой теории, но вклад самого Борна не был столь высоко оценён до 1954 года, когда он был награждён Нобелевской премией по физике «за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за его статистическую интерпретацию волновой функции». Он разделил премию с Вальтером Боте, который был награждён за экспериментальную работу по элементарным частицам. В Нобелевской лекции Борн описал истоки квантовой механики и её статистической интерпретации, задавшись вопросом: «Можем ли мы нечто, с чем нельзя ассоциировать привычным образом понятия „положение“ и „движение“, называть предметом или частицей?» И следующим образом заключил: «Ответ на этот вопрос принадлежит уже не физике, а философии».
Хотя Борна больше всего помнят в связи с его работами в области квантовой механики, его исследования и труды сыграли важную роль во всех тех областях, которых они касались. «Мне никогда не нравилось быть узким специалистом, — написал он в своей автобиографии. — Я не слишком подошёл бы к современной манере проводить научные исследования большими группами специалистов. Философское основание науки — вот что всегда интересовало меня больше, чем конкретные результаты».
Вскоре после своей отставки Борн с женой поселился в Бад-Пирмонте, небольшом городке вблизи Гёттингена, их пенсионные права и конфискованная собственность были восстановлены послевоенным правительством. Здесь Борн продолжал свою научную работу, готовил новые издания своих публикаций, писал и выступал с лекциями о социальной ответственности учёных, особенно в связи с применением ядерного оружия. В 1955 году он был одним из шестнадцати нобелевских лауреатов, которые собрались на острове Майнау, расположенном на озере Констанс в Швейцарии, чтобы выработать заявление, осуждающее дальнейшую разработку и использование ядерного оружия. В конце концов, эту декларацию подписал пятьдесят один нобелевский лауреат. Два года спустя Борн был одним из восемнадцати гёттингенцев (все из группы ведущих западногерманских физиков), которые поклялись не принимать участия в разработке и производстве такого оружия и которые участвовали в кампании против ядерного вооружения Западной Германии.
Борн умер в гёттингенском госпитале 5 января 1970 года.