Приключения Мистера Томпкинса - Георгий Гамов

— А что если я воспользуюсь очень тонкими и очень чувствительными приборами? Разве не смогу я сделать воздействие моих приборов на движущееся тело пренебрежимо малым?

— Именно так мы считали, когда у нас была только классическая физика, до открытия кванта действия. Но в начале XX столетия стало ясно, что действие на любой объект не может быть низведено до уровня ниже определенного предела, называемого квантовой постоянной и обозначаемого символом h. В обычном мире квант действия очень мал; в обычных единицах он выражается числом с двадцатью семью нулями после десятичной запятой. Квант действия становится существенным только для таких легких частиц, как электроны: из-за их очень малой массы на движении таких частиц заметно сказываются и очень слабые воздействия. В квантовых джунглях, к которым мы сейчас приближаемся, квант действия очень велик. Это грубый мир, в котором деликатные действия невозможны. Если кто-нибудь в таком мире попытается погладить котенка, то тот либо вообще не ощутит никакой ласки, либо его шея будет сломана при первом же прикосновении.

— Все это хорошо, — задумчиво проговорил мистер Томпкинс, — но ведут ли тела себя прилично, т.е. так, как обычно принято думать, когда на них никто не смотрит?

— Когда на тела никто не смотрит, — ответил профессор, — никто не может сказать, как они себя ведут. Ваш вопрос не имеет физического смысла.

— Должен признаться, — заметил мистер Томпкинс, — что все это изрядно смахивает на философию, а не на физику.

— Можете называть это философией, — профессор был явно задет, — но, в действительности, речь идет о фундаментальном принципе современной физики — никогда не говорить о том, чего не знаешь. Вся современная физическая теория основана на этом принципе, между тем, как философы обычно упускают его из виду. Например, знаменитый немецкий философ Кант провел немало времени, размышляя о свойствах тел, не таких, какими они «видятся нам», а таких, какие они есть « в себе». Для современного физика имеют смысл только так называемые «наблюдаемые» (т. е. принципиально наблюдаемые свойства), и вся современная физика основана на отношениях между наблюдаемыми свойствами. То, что невозможно наблюдать, хорошо только для праздных размышлений: вы можете придумывать что угодно, и плоды ваших размышлений нельзя ни проверить (т. е. убедиться в их существовании), ни воспользоваться ими. Должен сказать, что…

В этот момент ужасный рев потряс воздух. Слон остановился как вкопанный так внезапно, что мистер Томпкинс чуть не свалился. Огромная стая несколько размазанных тигров напала на слона, выпрыгнув из засады со всех сторон. Сэр Ричард схватил свое ружье и, прицелившись ближайшему тигру между глаз, спустил курок. В следующий момент мистер Томпкинс отчетливо услышал, как сэр Ричард пробурчал себе под нос некое крепкое выражение, принятое среди охотников. Еще бы! Выстрел был метким, но пуля прошла сквозь голову тигра, не причинив тому ни малейшего вреда!

— Стреляй еще! — закричал профессор. — Не цельтесь! Постарайтесь создать вокруг себя как можно большую плотность огня! На нас напал только один тигр, но он распределен вокруг нашего слона, и наш единственный шанс на спасение состоит в том, чтобы поднять гамильтониан.

Профессор схватил другое ружье, и грохот выстрелов смешался с ревом квантового тигра. Мистеру Томпкинсу показалось, что прошла целая вечность прежде, чем весь этот ужасный шум затих. Одна из пуль «попала в цель», и к величайшему удивлению мистера Томтпсинса тигр, внезапно превратившийся в одного-единственного титра, был с силой отброшен назад, и его мертвое тело, описав дугу в воздухе, приземлилось где-то за маячившей в отдалении пальмовой рощей.

— А кто этот Гамильтониан? — спросил мистер Томпкинс, когда все немного успокоилось. — Знаменитый охотник, которого вы хотели поднять из могилы, чтобы он спас нас?

— О, прошу великодушно простить меня! — сказал профессор. — В пылу битвы я перешел на научную терминологию, которую вы не понимаете! Гамильтонианом принято называть математическое выражение, описывающее квантовое взаимодействие между двумя телами. Оно получило свое название в честь ирландского математика Гамильтона, который первым начал использовать эту математическую форму. Я хотел сказать, что, выпуская как можно больше пуль, мы можем увеличить вероятность взаимодействия между пулей и телом тигра. В квантовом мире вы не можете точно прицелиться и быть уверены, что попадете в цель. Из-за расплывания пули и цели всегда существует лишь отличная от нуля вероятность попадания в цель, но эта вероятность никогда не равна единице. В нашем случае мы выпустили по крайней мере тридцать пуль, прежде чем действительно попали в тигра, и тогда действие пули оказалось столь сильным, что тигра отбросило далеко назад. То же самое, только в меньших масштабах, происходит и в нашем привычном мире. Как я уже упоминал, в обычном мире, чтобы заметить нечто подобное, необходимо исследовать поведение таких малых частиц, как электроны. Возможно, вам приходилось слышать о том, что каждый атом состоит из сравнительно тяжелого ядра и нескольких электронов, обращающихся вокруг него. Сначала принято было думать, что движение электронов вокруг ядра совершенно аналогично движению планет вокруг Солнца, но более глубокий анализ показал, что обычные понятия, относящиеся к движению, слишком грубы для такой миниатюрной системы, как атом. Действия, играющие важную роль внутри атома, по порядку величины сравнимы с элементарным квантом действия, и поэтому вся картина в целом сильно расплывается. Движение электрона вокруг атомного ядра во многих отношениях аналогично движению нашего квантового тигра, который в одиночку окружил нашего слона со всех сторон.

— А не стрелял ли кто-нибудь в электрон так, как мы стреляли в тигра? — спросил мистер Томпкинс.

— Стреляли и не раз! Ядро само испускает иногда кванты света высокой энергии, или, что то же, элементарные порции действия света. В электрон можно выстрелить и снаружи атома, освещая атом пучком света. При этом все произойдет так же, как с тигром: многие кванты света пройдут через то место, где находится электрон, не оказав на того ни малейшего действия, пока, наконец, один из квантов света не столкнется с электроном и не выбьет его из атома. На квантовую систему нельзя воздействовать чуть-чуть; она либо вообще не испытывает никакого воздействия, либо претерпевает в результате воздействия сильные изменения.

— Как тот несчастный котенок, которого нельзя приласкать в квантовом мире, не рискуя нанести ему смертельное увечье, — заключил мистер Томпкинс.

— Взгляните вон туда! Газели! Множество газелей! — воскликнул сэр Ричард, поднимая свое ружье. И, действительно, огромное стадо газелей показалось из бамбуковой рощи.

— Дрессированные газели, — подумал мистер Томпкинс. — Бегут строем, как солдаты на параде. Хотел бы я знать, уж не квантовый ли это эффект?

Группа газелей быстро приближалась к слону, на котором восседали наши путешественники, и сэр Ричард изготовился было стрелять, как вдруг профессор остановил его.

— Не тратьте понапрасну ваши охотничьи припасы, — сказал профессор. — Очень мало шансов попасть в животное, когда оно движется в дифракционной картине.

— Почему вы говорите не о животных, а об одном животном, удивленно спросил сэр Ричард. — Здесь по крайней мере несколько дюжин газелей!

— Вы глубоко заблуждаетесь, — возразил профессор. — Здесь перед нами только одна маленькая газель, которая, испугавшись чего-то, мчится сквозь бамбуковую рощу. Дело в том, что «расплывание» всех тел обладает одним свойством, аналогичным свойству обычного света: проходя через правильную систему отверстий («решетку»), например между стволами бамбука в роще, оно порождает явление дифракции, о котором вам, вероятно, приходилось слышать в школе. Поэтому мы говорим о волновом характере материи.

Но ни сэр Ричард, ни мистер Томпкинс не могли вспомнить, что же, собственно говоря, означает загадочное слово «дифракция» и разговор оборвался.

Углубившись в дебри квантовых джунглей, наши путешественники повстречали множество других интереснейших явлений, например, познакомились с квантовыми москитами. Определить местонахождение этих насекомых в пространстве было почти невозможно из-за их малой массы. Очень забавны были квантовые обезьяны.

Но вот впереди показалось что-то напоминающее туземное селение.

— Я не знал, что в этих местах живут люди, — заметил профессор. — Судя по шуму, у них какое-то празднество. Вы только прислушайтесь к неумолкаемому звону колокольчиков.

Различить отдельные фигуры туземцев, исполнявших вокруг большого костра какой-то дикий танец, было очень трудно. Из толпы, куда ни глянь, всюду поднимались темно-коричневые руки с колокольчиками всех размеров. Когда путешественники приблизились, все, включая хижины и окружавшие селение большие деревья, начало расплываться. Звон колокольчиков стал невыносимым для мистера Томпкинса. Он протянул руку, схватил что-то и отбросил в сторону. Будильник разбил стакан с водой, стоявший на ночном столике, и поток холодной воды привел мистера Томпкинса в чувство. Он вскочил и принялся быстро одеваться. Через полчаса ему нужно было быть в банке.