Возвращение чародея - Владимир Келлер

Когда мы бросаем мяч, то видим, как он описывает вполне определенную кривую — параболу, прежде чем упадет на землю. Подобная кривая — след летящего мяча — называется траекторией его движения. Всякий движущийся предмет, наблюдаемый нами, обязательно имеет свою траекторию.

Не то получается, если речь идет о движении объекта микромира, подчиненного законам квантовой механики. Оказывается, к явлениям микромира понятие траектории неприменимо: элементарные частицы — электроны, протоны и другие — в своем движении не имеют траектории в обычном смысле слова.

Но как себе представить, скажем, электрон, движущийся без траектории? Представить это действительно очень трудно, но зато можно понять, почему трудно.

Ведь траектория — это свойство только корпускулы, тела. Волна, простираясь в бесконечность и не являясь телом, не обладает этим свойством. Электрон же (как и любая другая элементарная частица) обладает одновременно свойствами и корпускулярными и волновыми. В микромире такие дополнительные свойства, как корпускулярные и волновые, прекрасно сосуществуют.

Обратимся снова к дифракционному опыту, но будем пропускать через тонкую пластинку не поток электронов, а отдельные электроны один за другим. И мы получим нечто в высшей степени интересное. Электроны будут попадать на экран, установленный за пластинкой, как частицы (о чем будут свидетельствовать отдельные вспышки в различных местах экрана), а располагаться на экране они будут по закономерностям распространения волны: гуще там, где интенсивнее волна, реже там, где эта интенсивность меньше.

Физический смысл корпускулярно-волнового дуализма заключается в том, что интенсивность волны в любой точке оказывается пропорциональной вероятности найти частицу в этой точке.

Отсюда еще один парадокс, разрушающий наше извечное представление, что дважды два всегда четыре. Квантовая механика говорит, что дважды два может оказаться нулем, а может и восьмеркой.

Направим пучок электронов сквозь две узкие щели и отрегулируем его так, чтобы, когда одна щель закрыта, через другую попадало бы в некоторое место стоящего сзади экрана по 2 электрона каждую секунду. А теперь откроем обе щели. Что получится? 4 электрона в секунду? Не тут-то было. Число электронов будет зависеть от того, как было выбрано место на экране. В одном случае вы получите, скажем, 6 электронов, в другом — 8, а в третьем — ничего, нуль!

Сейчас физики работают над созданием новой — квантовой — теории поля. Элементарные частицы здесь осмысливаются как кванты поля. В этом названии всего удачнее раскрываются двойственные качества микрочастицы. «Поле» говорит о сплошности, о среде; «квантованность», или «порционность», — об индивидуальности частицы.

Связанные же между собой органическим единством, оба неотъемлемых качества микрочастицы по-новому, еще глубже раскрывают физический смысл целостности материального мира.

Слов нет, что все это не сразу укладывается в сознании. Кажется, что нарушается «здравый смысл». Но тут уместно вспомнить слова А. Эйнштейна по поводу последнего:

«„Здравый смысл“ — это те предрассудки, которые складываются в возрасте до восемнадцати лет».

Из анализа природы «волночастицы» вытекает одно чрезвычайно важное и интересное следствие.

Когда мы имеем дело с объектом классической механики — «обычной» частицей, мы можем, по меньшей мере теоретически, с абсолютной точностью задать вместе и величины, характеризующие местоположение частицы, то есть ее координаты, и величины, характеризующие быстроту изменения местоположения частицы, — составляющие ее импульса.

Совсем иное в квантовой механике, где объектом является не крупное тело, изображаемое схематически как частица, а очень маленькая «волночастица». В этом случае, оказывается, нельзя с абсолютной точностью задать вместе и координаты частицы и ее импульсы. Иначе говоря, не существует состояний частицы, в которых сразу имели бы определенные значения и координаты и импульсы. Всегда для частицы есть неопределенности: и в координатах (эта неопределенность обозначается символом Δx, читается «дельта икс») и в импульсах (а эта неопределенность обозначается Δр — «дельта пэ»).

Между обеими неопределенностями есть связь. Оказывается, произведение этих двух неопределенностей равно, грубо говоря, постоянной Планка: Δx·Δp = h.

Можно с абсолютной точностью задать что-нибудь одно: или координаты частицы, или ее импульс. Но тогда неопределенность другого, как видно из соотношения, станет бесконечно большой.

Это и есть вызвавшее много шуму, а еще больше неправильных философских толкований соотношение, установленное немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году и получившее название «соотношение неопределенностей».

Порой в повседневной жизни мы сознательно создаем неопределенности. Например, при игре в лапту бегущий, чтобы увернуться от мяча, бежит с различной скоростью, делает неожиданные скачки и т. д. Неопределенность в его импульсе и положении, естественно, мешает другому игроку правильно прицелиться.

Принцип неопределенности позволяет понять тайну многих загадочных явлений в микромире. Почему, например, при температуре абсолютного нуля частицы все же продолжают колебаться? Да потому, что если бы они остановились, их положения в пространстве и их скорости были бы совершенно определенны, а это противоречит соотношению неопределенностей. Почему, как вы думаете, отрицательно заряженные электроны внешних оболочек атомов не падают под влиянием притяжения на положительно заряженное ядро? Потому, что и в этом случае был бы нарушен принцип неопределенности: электроны оказались бы в ядре, неопределенность Δx стала бы близкой к нулю (то есть она бы почти исчезла, восторжествовала бы определенность). Из соотношения Гейзенберга видно, что при этом стал бы очень большим импульс частицы. Это значит, что она приобрела бы большую кинетическую энергию и «выпрыгнула» бы из ядра.

«Немудрено, — говорит Фейнман, — что ядро идет на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движения, лишь бы не нарушить этого правила» (соотношения неопределенности. — В. К.).

Открытие двойственности элементарных частиц и соотношения неопределенности, характеризующего их «поведение», произвело огромное впечатление. Ничего подобного не встречалось в повседневной практике. С изумлением увидели люди в микромире материальные тела, ведущие себя своенравно, подчиняющиеся неведомым до тех пор законам. Казалось, здесь были не простейшие частицы материи, а какие-то очень маленькие «живые существа».

Все было до того удивительно и непонятно, что нашлись люди (в том числе ряд философов и публицистов), которые стали уверять, что электроны «имеют душу», «свободу воли», что в них есть нечто, «роднящее» их с живыми организмами, и т. д.

Конечно, это сущая чепуха. Жизнь — свойство самой высокоорганизованной материи, здесь же речь идет о простейших элементах.

Но какой-то иной, неизвестный классической физике вид причинности, определяющий события в микромире, бесспорно существует. Иначе говоря, изучение явлений в микромире привело к открытию существования двух форм причинности: динамической, которой управляются движения крупных тел, и статистической, управляющей движением элементарных частиц.

Применение классической механики к конкретным задачам построено на предположении, что мы знаем все о силах, прилагаемых к рассматриваемой нами системе тел. Только в этом случае мы можем предсказать поведение системы. Хороший пример — предсказание астрономами расположения планет в определенный будущий момент времени. Но вот представьте себе, что из бездонных глубин космоса в Солнечную систему ворвется какое-то новое небесное тело. Оно тотчас нарушит всю тысячелетиями установленную гармонию и приведет систему к неожиданному, непредсказанному состоянию.

Как видно из примера, первым условием возможности предсказания события, подчиняющегося динамической причинности, является отсутствие непредусмотренных взаимодействий рассматриваемой системы с другими.

Но в идеальном смысле эти условия невыполнимы: никогда нельзя предусмотреть всех воздействий извне на изучаемую систему. Может быть, здесь и лежит объяснение «своенравия» микрочастиц?

Действительно, когда мы изучаем большие тела, то должны пренебречь малыми и поэтому практически несущественными, непредусмотренными воздействиями. Если мы сумели предусмотреть все практически существенные воздействия, то с практически достаточной точностью будет работать динамическая причинность; если же она не работает, будем искать существенные воздействия, которых мы пока еще не сумели предусмотреть.