Konec aprila 1926 je imel tedaj komaj petindvajsetletni Werner Heisenberg predavanje na prestižnem fizikalnem kolokviju Univerze v Berlinu. Naslov njegovega govora je privabil vse ugledne nemške fizike tistega časa, med drugim tudi takrat že zelo slavnega Alberta Einsteina. Mladi fizik je pred zahtevno publiko predstavil novo fizikalno teorijo o obnašanju atomskih delcev, ki jo je nedavno odkril v sodelovanju s prav tako še zelo mladimi kolegi. Čeprav so vsi z zanimanjem poslušali, kakšno teorijo so postavili mladi znanstveniki, je bilo predavanje vseeno dokaj nenavadno.

V tistem času so fiziki veliko razpravljali o problemu, kako razumeti nenavadno dogajanje v svetu mikroskopsko majhnih delcev, ko se ti enkrat obnašajo kot običajni delci, drugič kot valovanje. Kako si predstavljati to nenavadno dvojno naravo atomskih delcev, je bilo vprašanje, na katerega nihče ni znal zadovoljivo odgovoriti. Nenavadno pri Heisenbergovem predavanju pa je bilo, da se je mladi fizik vseskozi zelo trudil, da niti z besedo ne bi omenil tega, kar naj bi se dejansko dogajalo v samih atomih. Strogo se je omejil le na prikaz matematične teorije, kako izračunati napovedi rezultatov eksperimentov z atomi, pojasnila tega, kaj se dejansko odvija v svetu atomov, pa ni podal. Tudi sam namreč ni poznal odgovora na pereča vprašanja takratne fizike, iznašel je le način, kako izračunati napovedi za rezultate eksperimentov z atomskimi delci.

Po predavanju je k mlademu fiziku pristopil sam Einstein in ga povabil, da ga spremi na poti do doma. Heisenberg je bil seveda nad ponudbo navdušen. Prepričan je bil namreč, da bo Einstein z njegovim pristopom k problemu kvantne fizike, kot so to področje znanosti strokovno poimenovali, zelo zadovoljen, saj se je tudi sam oprijel podobnega pristopa, ko se je ukvarjal s svojo teorijo relativnosti. Tako kot se Heisenberg namenoma ni spraševal, kaj se dejansko dogaja v atomih, ampak se je omejil le na tisto, kar lahko o dogajanju v atomih izmeri in izračuna, se je pred nekaj desetletji Einstein pri vprašanju obravnave prostora in časa sistematično omejil le na to, kar lahko odčita na posamezni uri oziroma neposredno izmeri, globlje vprašanje, kaj dejansko sta čas in prostor, pa je pustil ob strani.

“Šele teorija odloča o tem, kaj se da opazovati”

Z inovativnim pristopom, pri katerem se je omejil le na tisto, kar je mogoče dejansko izmeriti, druga vprašanja pa je začasno odmislil, je Einsteinu uspelo izvesti pravo revolucijo v fiziki in povsem na novo definirati razpravo o naravi prostora, časa, energije in materije. Heisenberg se je nadejal, da bo s svojo aplikacijo te metode tudi na svet kvantnih delcev prišel do podobnega preboja v razumevanju narave kot njegov veliki vzornik v začetku dvajsetega stoletja.

A presenetljivo se Einstein s Heisenbergovo idejo, da se ne ukvarja s postavljanjem modelov tega, kar se v resnici dogaja v svetu atomov, ampak se omeji le na tisto, kar lahko dejansko opazuje, ni strinjal. Zanimivo pa njegovi pomisleki niso izvirali iz bojazni, da zgolj matematična teorija dejansko dogajanje v naravi premalo pojasni, ampak da mora tudi opiranje zgolj na čutne vtise, ki so nam neposredno dostopni, še zmeraj uporabiti marsikatero drugo znanstveno teorijo, da lahko denimo premik nekega števca na merilnem inštrumentu sploh razumemo kot trčenje atomskega delca v ta inštrument. Einstein je trdil, da smo vedno že primorani uporabljati najrazličnejše teorije pri pojasnjevanju tudi povsem neposrednih čutnih vtisov, zato česa takega, kot so neposredna, od teorije povsem neodvisna opazovanja sveta, ni.

Kot je kasneje v svojih spominih zapisal Heisenberg, je Einstein med drugim izrekel tudi naslednje besede: “Z načelnega stališča pa je čisto napačno, če hočemo kako teorijo utemeljiti samo na količinah, ki se dajo opazovati. V resnici je namreč ravno nasprotno. Šele teorija odloča o tem, kaj se da opazovati. […] Samo teorija, se pravi poznavanje naravnih zakonitosti, nam torej dopušča, da s čutnega vtisa sklepamo na dogodek, iz katerega vtis izvira.”

Heisenberg je sicer branil svojo novo kvantno mehaniko, a sta z Einsteinom kmalu prišla do zaključka, da še premalo vesta o dogajanju v svetu atomov, da bi lahko na tej osnovi potegnila kake pomembne zaključke. Očitno je bilo tudi, da se zaradi velike razlike v letih, saj je bil Einstein skoraj dvakrat starejši od Heisenberga, nista mogla povsem sproščeno pogovarjati. V naslednjih letih je tako vodenje razprave o pomembnih problemih, ki jih odpira nova kvantna fizika, od Heisenberga prevzel starejši danski fizik Niels Bohr, ki je bil po letih bliže Einsteinu, prav tako pa je kot ključni akter sam pomembno sodeloval pri odkrivanju nove fizike sveta atomov. Razprava med Einsteinom in Bohrom velja za eno največjih intelektualnih debat dvajsetega stoletja. Trajala je skoraj trideset let, od 5. Solvayeve konference vse do Einsteinove smrti leta 1955.

Einstein je bil nato nekoliko vznemirjen…

Svojo ključno idejo, kako razumeti dogajanje v svetu atomov, je Bohr kolegom predstavil septembra 1927 na kongresu v italijanskem Comu. Einsteina na takratnem srečanju fizikov ni bilo, a v resnici ni veliko zamudil, saj je bilo Bohrovo predavanje po pričevanju navzočih tako zgoščeno, da ga ni nihče prav dobro razumel. Vseeno pa velja danes prav to predavanje za pomemben mejnik v zgodovini fizike, saj je na njem predstavil osrednjo idejo interpretacije kvantne mehanike, ki je še danes zapisana v mnogih učbenikih fizike.

Fizika lahko po Bohru postavlja teorije le o tem, kar lahko o svetu povemo, ne pa tudi o tem, kakšen je svet sam po sebi. Če je Heisenberg sprva puščal povsem ob strani problem, kako si predstavljati dogajanje v svetu atomov, je šel Bohr korak dlje in pokazal, da si lahko ustvarimo dokaj dobro predstavo o dogajanju preprosto tako, da kombiniramo dva nasprotujoča si modela tega, kar se v resnici godi v svetu kvantov. Ključna Bohrova ideja je bila, da dogajanja v svetu atomov ni mogoče pojasniti le z enim samim konsistentnim modelom, ampak da jih je treba uporabiti več.

Einsteinu seveda Bohrova ideja nikakor ni bila všeč, zato si je zadal nalogo, da bo našel protislovje med trditvami nove kvantne fizike in svojo teorijo relativnosti. Takole se dogajanja na 5. Solvayevi konferenci oktobra 1927 v Bruslju spominja Heisenberg: “Vsi smo stanovali v istem hotelu in do najostrejših razprav ni prihajalo v konferenčni dvorani, temveč med obroki v hotelu. […] Razpravljanje se je največkrat začelo že zgodaj zjutraj tako, da nam je Einstein pri zajtrku razložil kak nov miselni poskus, ki je po njegovem spodbijal načelo nedoločenosti. Kajpada smo se pri priči lotili analize in na poti do konferenčne dvorane, kjer sem po navadi spremljal Bohra in Einsteina, smo se dokopali do prvega razčiščenja zastavljenega vprašanja in trditve. Čez dan smo se o tem še veliko pogovarjali in navadno smo prišli do večera že tako daleč, da je lahko Niels Bohr pri skupni večerji Einsteinu dokazal, da se tudi pri eksperimentu, ki ga je predložil, ni mogoče ogniti načelu nedoločenosti. Einstein je bil nato nekoliko vznemirjen, ampak že naslednje jutro je imel pri zajtrku pripravljen nov miselni poskus, še bolj zapleten od prejšnjega. Temu poskusu se kajpada zvečer ni godilo nič bolje kot prvemu, in potem se je ta igra nadaljevala še nekaj dni.”

Ali lahko o atomih izvemo še kaj več

Na 6. Solvayevo konferenco leta 1930 je Einstein prišel z že vnaprej natančno in podrobno izdelanim miselnim eksperimentom, ki naj bi dokazoval, da je s kvantno mehaniko nekaj narobe. A je Bohr po natančni analizi kmalu ugotovil, da Einstein tokrat ni upošteval učinka svoje lastne splošne teorije relativnosti, zato je bil prepričan, da je našel napako v kvantni fiziki. Če bi upošteval tudi splošno teorijo relativnosti, neskladja ne bi bilo več.

Po tem vnovičnem neuspehu Einstein ni več poskušal dokazovati, da je s kvantno fiziko neposredno kaj narobe, ampak se je problema lotil drugače. Poskušal je pokazati, da je kvantna teorija nepopolna. To z drugimi besedami pomeni, da se bi načeloma dalo o samih atomih povedati več, kot o njih pove kvantna fizika. Pokazati je želel, da imajo atomski delci lastnosti, ki jih kvantna fizika ne zaobjame, a bi jih kaka druga teorija načeloma lahko obravnavala in bi jih lahko tudi izmerili.

Potreboval je kar sedem let, da je našel način, kako bi načeloma lahko dokazal, da je kvantna fizika nepopolna teorija, ki ne zaobjame vseh lastnosti atomskih delcev. Leta 1935 je s kolegoma Borisom Podolskym in Nathanom Rosenom zdaj že v Princetonu v ZDA objavil članek, v katerem je z miselnim eksperimentom dokazoval, da mora narava o sebi vedeti več, kot je obravnavano v enačbah kvantne fizike.

Ko je Bohr izvedel za Einsteinov nov članek, je vse svoje drugo delo takoj spustil iz rok in se z vsemi močmi zakopal v iskanje napake v Einsteinovem miselnem eksperimentu. Čez tri mesece je že izšel članek z Bohrovim odgovorom Einsteinu. Vendar pa se Einstein z Bohrovo obrambo kvantne fizike ni strinjal, tako da je njuna debata na tem mestu začasno zastala. Oba sta bila namreč prepričana, da gre zgolj za “filozofsko” razpravo, a čez nekaj desetletij je neki drug fizik ob prebiranju Einsteinovega članka prišel do ideje, kako bi lahko tudi eksperimentalno preverili, ali je kvantna fizika popolna. To pa je že nova zgodba.