Окончив Берлинский университет, Вернер Гейзенберг, с которым мы уже знакомились, был назначен ассистентом профессора Макса Борна в Геттингенский университет. Борн весьма интересовался атомной теорией и имел по этому поводу совершенно самостоятельные взгляды. Он был уверен, что атомный микромир настолько отличается от макромира, описанного классической физикой, что ученым нечего и думать пользоваться при изучении строения атома привычными понятиями о движении и времени, скорости, пространстве и определенном положении частиц. В мире атомов, по мнению профессора Борна, не было правил для классических измерений и не могло быть часов для отметки временных интервалов. Основа микромира — кванты, которые не следовало пытаться понять или объяснить с наглядных позиций устаревшей классики. Нужно было просто научиться ими пользоваться! Эта радикальная философия нашла горячий отклик в душе его нового ассистента.
Действительно состояние атомной физики напоминало в это время какое-то нагромождение гипотез. Вот если бы кому-нибудь удалось на опыте доказать, что электрон действительно волна, вернее, и частица и волна… Но таких опытов пока не было. А раз так, то и исходить из одних только предположений, что представляет собой электрон, по мнению педантичного Гейзенберга, было некорректно. А нельзя ли создать теорию, в которой будут только известные экспериментальные данные об атоме, полученные при изучении излучаемого им света? Что можно сказать об этом свете наверняка? Что он имеет такую-то частоту и такую-то интенсивность, не больше…
По теории квантов атом испускает свет, переходя из одного энергетического состояния в другое. А по теории Эйнштейна интенсивность света определенной частоты зависит от количества фотонов. Значит, можно было попытаться связать интенсивность излучения с вероятностью атомных переходов… И никаких орбит, никаких оболочек. Никаких вообще аналогий, поскольку все они гипотетичны. Квантовые колебания электронов, уверял Гейзенберг, нужно представлять только с помощью чисто математических соотношений. Надо лишь подобрать для этого подходящий математический аппарат. Молодой ученый выбрал матрицы. Выбор оказался удачным, и скоро его теория была готова. Работа Гейзенберга заложила основы науки о движении микроскопических частиц — квантовой механики.
В ней вообще не говорится ни о каком движении электрона. Движения в прежнем смысле этого слова не существует. Матрицы описывают просто изменение состояния системы. Потому спорные вопросы об устойчивости атома, о вращении электронов вокруг ядра и о его излучении отпадают сами собой.
Вместо орбиты в механике Гейзенберга электрон характеризуется набором или таблицей отдельных чисел. Вроде координат на географической карте. Но это, конечно, не координаты…
Надо сказать, что матричная механика появилась весьма кстати. Идею Гейзенберга подхватили другие физики, и скоро, по выражению Бора, она приобрела «вид, который по своей логической завершенности и общности мог конкурировать с классической механикой».
Впрочем, было в работе Гейзенберга и одно удручающее обстоятельство. По его словам, ему никак не удавалось вывести из новой теории простой спектр водорода. И каково было его удивление, когда некоторое время спустя после опубликования его работы… «Паули преподнес мне сюрприз: законченную квантовую механику атома водорода. Мой ответ от 3 ноября начинался словами: «Едва ли нужно писать, как сильно я радуюсь новой теории атома водорода и насколько велико мое удивление, что Вы так быстро смогли ее разработать».
Почти в то же самое время теорией атома с помощью новой механики занимался и английский физик Поль Адриен Морис Дирак. Он по-своему толковал квантовую теорию, для которой развил особую символическую алгебру состояний и наблюдаемых величин.
И у Гейзенберга и у Дирака вычисления носили крайне абстрактный характер. Никто из них не уточнял сущность употребляемых символов. И лишь в конце вычислений вся их математическая схема давала правильный результат. Так было у одного, так было и у другого.