Охотники за частицами

Прибор (удаляется и возвращается некоторое время спустя). Послушайте, у меня ничего не вышло! Нашел я себе электрон, осветил его гамма-фотоном и попробовал определить его движение. Не тут-то было: электрон исчез! Второй раз попробовал — и опять та же незадача. Так ничего и не определил.

Ученый. Извини. Я поручил тебе невыполнимую задачу. Пока ты пытался что-то измерить, я раздумывал. Вот смотри.

Зачем ты берешь гамма-лучи? Чтобы определить положение электрона с достаточной точностью, скажем, порядка его собственных размеров.

Но когда ты бросаешь гамма-фотоны на электрон, то это смахивает на стрельбу из пушек по летящим воробьям! Да-да, не удивляйся. Давай подсчитаем импульс нашего электрона, то есть произведение его массы на скорость полета. Возьмем для наглядности очень быстро летящий электрон, скажем, со скоростью 100 000 километров в секунду. Тогда получим, что импульс электрона — что-то около 10^–17 граммов на сантиметр в секунду. А для наших с тобой гамма-фотонов импульс в добрую тысячу раз больше.

Действительно, из пушки мощным снарядом по ничтожному воробью. Стоит ли удивляться, что такой зверь — фотон — начисто смел электрон со своего пути!

Прибор. Понимаю. Но как же быть? Я могу взять не такие могучие фотоны. Скажем, такие, чтобы их импульс был меньше, чем у нашего электрона.

Ученый. Можешь. Но подумай, какая длина волны отвечает этим фотонам? Ведь чем меньше импульс фотона, тем больше его длина. В твоем случае — не много, не мало, как в десятки тысяч раз больше размеров электрона! Теперь ты незначительно повлияешь на движение электрона, сможешь даже более или менее точно определить его скорость. Но положение, траектория электрона останутся для тебя полной загадкой.

Прибор. А микроскоп еще говорил: молодым дорога. Выходит, что я еще беспомощнее, чем он! Может быть, есть все-таки какой-нибудь выход?

Соотношение неопределенностей

Ученый Вернер Гейзенберг говорит: выхода нет. Любой прибор слишком груб в мире сверхмалых частиц, слишком неуклюже и сильно вмешивается в явления, протекающие в этом мире.

А Нильс Бор, поразмыслив, обобщает это высказывание. Он утверждает, что с помощью любых приборов мы с достаточной точностью в каждом из опытов можем узнать только об одной стороне атомного мира. Конкретнее: в каждом опыте можно определить, например, либо только местоположение, либо только скорость электрона. Положение и скорость электрона оказываются как бы исключающими и дополняющими друг друга величинами. Дополняющими до того полного описания, которое дает (конечно, куда более крупным предметам) старая классическая физика.

Все физические свойства частиц можно разбить на два класса, дополняющие друг друга. Но эти классы — как бы две стороны одной медали. Никогда не удастся одновременно увидеть обе стороны медали.

Да, мир сверхмалых частиц двулик. Но он являет каждый из своих ликов порознь в разного рода опытах, в разных явлениях.

И в этом виноват прибор, заявили Гейзенберг и Бор. Этот слон слишком груб, чтобы с его помощью можно было изучать тонкие детали атомного муравейника. А сделать прибор достаточно тонким, чтобы он не разгонял «муравьев», человек не может.

Значит, выхода нет: мир микрочастиц для нас принципиально точно не познаваем? Очень грустный вывод.

Получается, что есть предел могуществу человеческого знания. И находится этот предел не в бескрайних просторах Вселенной, а вот здесь, у нас под руками, и даже в нас самих.

Правилен ли такой вывод? Правильно ли обвинять приборы или электрон, ускользающий от точного измерения приборами? Ученые задумались. И некоторые из них пришли к другим выводам.

Они сказали: зачем обвинять приборы в недостаточном могуществе или электроны в непознаваемости? Более разумным было бы обвинять самих себя!

Мы потребовали от приборов таких сведений, которые те не могут представить. Например, сведения о точном положении и точной скорости электрона одновременно, то есть в конечном счете, о траектории электрона.

Точные положение и скорость, точная траектория движения… Все эти понятия мы притянули из классической физики. Все законы ее записаны на языке этих и подобных им понятий. А что, если сами эти понятия неприменимы к микромиру? Что, если попытка втиснуть атомный мир в их рамки есть насилие над природой?

Так оно и оказалось. У физики нет пока что понятий, чтобы точно описать поведение электронов и других микрочастиц. Она вынуждена для этого описания использовать уже давно сложившиеся понятия.

И еще хорошо, что эти понятия не отказывают немедленно, что они хоть немного работают в новом мире! И даже, честно говоря, не так уж «немного». Откройте любую книгу по квантовой механике, послушайте разговоры физиков, и вы на каждом шагу убедитесь в том, как широко физики используют старые понятия в новом мире.

Но до каких пор можно использовать эти старые понятия? Не беспредельно, разумеется. И пределы применимости классических понятий в атомном мире как раз указываются соотношениями неопределенностей Гейзенберга.