Страх физики. Сферический конь в вакууме

Хотя я уже несколько раз упоминал квантовую механику, я до сих пор не рассказывал о принципах, положенных в ее основу. Дорога к созданию квантовой механики оказалась гораздо менее прямой, чем дорога к созданию теории относительности, из-за того что предмет ее изучения — явления, происходящие на атомном и субатомном уровне, — не был предметом нашего повседневного опыта. Тем не менее исходной точкой квантовой механики тоже является одно утверждение, которое, на первый взгляд, кажется безумным. Если я брошу мяч и моя собака поймает его в воздухе после того, как мяч пролетит десяток метров, я могу проследить весь полет мяча и убедиться, что его траектория полностью соответствует предсказаниям галилеевской механики. Однако по мере перехода ко все более малым расстояниям и временам полета мяча определенность его траектории постепенно исчезает. Законы квантовой механики утверждают, что, если объект переместился из пункта A в пункт B, мы не можем суверенностью утверждать, что он определенно находился в какой-либо точке между начальным и конечным пунктами!

На первый взгляд кажется, что мы можем легко опровергнуть это утверждение. Я могу направить луч света на объект и проследить весь путь этого луча. То же самое вроде бы относится и к электронам: поместив детектор на пути электронного пучка, летящего из A и B, мы всегда можем обнаружить электроны в любой точке прямой, соединяющей начальный и конечный пункты их путешествия.

Так какой же смысл в первоначальном утверждении, если его так легко опровергнуть? Смысл в том, что природа хитрее нас. Разумеется, мы можем обнаружить электрон между пунктами A и B, но мы не можем сделать это безнаказанно! Если, к примеру мы направляем пучок электронов на флуоресцирующий экран, то, достигая экрана, электроны будут вызывать на нем вспышки света. Затем мы можем поставить на пути электронов непроницаемую ширму с двумя узкими щелями, чтобы электроны могли проходить либо через одну, либо через другую щель. Для того чтобы определить, через какую из щелей проходит электрон, мы можем поставить возле каждой щели детектор. Вот тут-то и начинается самое интересное. Если мы не фиксируем, через какую из щелей проходят электроны, на экране возникает картина из светлых и темных полос, такая же, как и при прохождении через две щели луча света. Другими словами, результат получается такой, как если бы каждый электрон проходил одновременно через обе щели! Если же задействовать детекторы возле щелей, то картина на экране радикально меняется — полосы исчезают. Производя измерения, мы изменяем результат опыта! Таким образом, мы можем либо определить, через какую из щелей проходит электрон, но тогда его путь из А в В на самом деле распадается на два независимых пути: от А до одной из щелей и от этой щели до В, либо мы фиксируем электроны только в точках А и В, но тогда не имеем никакой информации, через какую щель они прошли, а электроны ведут себя так, будто прошли сразу через обе.

Поведение, подобное этому, возникает из-за того, что законы квантовой механики на фундаментальном уровне вносят неопределенность в любой процесс измерения физических величин. Например, существует принципиальное ограничение, накладываемое квантовой механикой на нашу способность одновременного точного измерения положения и скорости частицы. Чем более точно мы измеряем координату, тем менее точно нам известна скорость, и наоборот. Это происходит из-за того, что любое измерение вносит возмущение в измеряемую величину. В обычных человеческих масштабах это возмущение настолько мало, что остается незамеченным. Но в микромире им уже нельзя пренебрегать. Квантовая механика получила свое название из-за того, что она основана на положении, согласно которому энергия любой системы не может изменяться на произвольную сколь угодно малую величину, вместо этого она передается фиксированными порциями — пакетами, или квантами (от латинского слова quantum — количество). Эта маленькая порция энергии сопоставима с энергиями частиц в атомных системах. Когда мы пытаемся измерить какую-нибудь характеристику такой частицы, мы должны передать ей или забрать у нее некоторую фиксированную порцию энергии. Из-за того, что величина этой порции сопоставима с энергией самой частицы, после измерения характеристика частицы существенно меняется. Но если мы будем измерять какую-нибудь характеристику системы в течение очень долгого времени, то средняя энергия системы будет оставаться более-менее постоянной, даже если она претерпевает значительные колебания в течение коротких промежутков времени. Таким образом, мы приходим к еще одному соотношению неопределенностей: чем более точно мы хотим измерить энергию системы, тем больше времени мы должны затратить на процесс измерения.