Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв
Все эти примеры приведены здесь для того, чтобы легче понять конечный итог размышлений о проблеме «волна — частица»: вопрос «волна или частица?» неправильно поставлен: атомный объект — «и волна, и частица» одновременно. Более того, все тела в природе обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, и свойства эти — лишь различные проявления единого корпускулярно-волнового дуализма. К этой мысли пришли еще в 1924 г. Бор, Крамере и Слэтер. В совместной работе они с определенностью заявили, что «волно
вой характер распространения света, с одной стороны, и его поглощение и испускание квантами, с другой, являются теми экспериментальными фактами, которые следует положить в основу любой атомной теории и для которых не следует искать каких-либо объяснений».
Непривычное, но несомненное единство свойств «волна — частица» отражено в формулах Планка (E = hv) и де Бройля (k = h/mv). Энергия Е и масса т — характеристики частицы; частота v и длина волны X — признаки волнового процесса. А единственная причина, по которой мы не замечаем этого дуализма в повседневной жизни,— малость постоянной Планка. Даже если это случайное обстоятельство, с ним надо считаться.
Если бы мы жили в мире, где значение постоянной Планка сравнимо с его привычными масштабами, наши представления об этом мире резко отличались бы от нынешних. Предметы в нем не имели бы определенных границ, их нельзя было бы двигать произвольно, и нельзя было бы заранее планировать встречи друзей. К счастью, этот мир — гипотетический, поскольку постоянную Планка мы не мбжем менять по своему произволу — она всегда неизменна и очень мала. Но атомы тоже очень малы, поэтому для них этот необычный мир реально существует, и его непривычную логику нам предстоит теперь понять — точно так же, как Гулливеру пришлось постигать образ мыслей лилипутов.
СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ
Предположим, что мы настолько прониклись идеей неделимости свойств «волна — частица», что захотели записать свое достижение на языке формул. Эти формулы должны установить соотношение между числами, которые соответствуют понятиям «волна» и «частица». В классической механике эти понятия строго разделены и относятся к совершенно различным явлениям природы. В квантовой механике корпускулярно-волновой дуализм вынуждает нас использовать оба понятия одновременно и применять их к одному и тому же объекту. Этот необходимый шаг не дается даром — мы за него должны платить, и, как оказалось, платить дорого.
Вполне ясно это стало в 1927 г., когда Вернер Гейзенберг догадался, что понятия «волна» и «частица» применительно к квантовым объектам можно определить строго только порознь.
В физике слова «определить понятие» означают: «указать способ измерения величины, которая этому понятию соответствует». Гейзенберг утверждал: нельзя одновременно и при этом точно измерить координату х и импульс р квантового объекта. С учетом формулы де Бройля
x=Jl = A
mv р
это означает: нельзя одновременно и в то же время точно определить положение х атомного объекта и длину его волны X. Следовательно, понятия «волна» и «частица» при одновременном их использовании в атомной физике имеют ограниченный смысл. Гейзенберг нашел численную меру такого ограничения. Он показал, что если мы знаем положение х и импульс р квантового объекта (например, электрона в атоме) с погрешностями Дх и Др, то мы не можем уточнять эти значения беспредельно, а лишь до тех пор, пока выполняется неравенство — соотношение неопределенностей:
&x-&p^h/2.
Этот предел мал, но он существует, и это — принципиально.
Соотношение неопределенностей — строгий закон природы, который никак не связан с несовершенством наших приборов. Он утверждает: нельзя — принципиально нельзя — определить одновременно и координату, и импульс частицы точнее, чем это допускает неравенство Дх«Др>Й/2. Точно так же, как нельзя превысить скорость света или достичь
абсолютного нуля температур. Нельзя — как нельзя поднять самого себя за волосы или вернуть вчерашний день. И ссылки на всемогущество науки здесь неуместны: сила ее не в том, чтобы нарушать законы природы, а в том, что она способна их открыть, понять и использовать.
Нам кажется это немного странным: мы привыкли к всесилию науки и утверждение «нельзя» молчаливо исключили из ее лексикона. Замечательно, однако, что высший триумф любой науки достигается именно в моменты установления таких запретов. Когда сказали: «Невозможно построить вечный двигатель»,— возникла термодинамика. Как только догадались, что «нельзя превысить скорость света»,— родилась теория относительности. И лишь после того, как поняли, что различные свойства квантовых объектов нельзя измерить одновременно с произвольной точностью, окончательно сформировалась квантовая механика.
Причину инстинктивного сопротивления, которое мы испытываем при первом знакомстве с соотношением неопределенностей, объяснил Гейзенберг. Для этого ему пришлось отбросить еще одну идеализацию классической физики — понятие наблюдения: оказалось, что в квантовой механике его нужно пересмотреть — точно так же, как и понятие движения.
Подавляющую часть своих знаний о мире человек приобретает с помощью зрения. Эта особенность восприятия человека определила всю его систему познания: почти у каждого слово «наблюдение» вызывает в сознании образ внимательно глядящего человека. Когда вы смотрите на собеседника, то абсолютно уверены, что от вашего взгляда ни один волос не упадет с его головы, даже если вы смотрите пристально и у вас «тяжелый взгляд». В сущности, именно на этой уверенности основано понятие наблюдения в классической механике. Она выросла из астрономии и, поскольку никто не сомневался, что, наблюдая звезду, мы никак на нее не воздев етвуем, то в этом не усомнились и в случае других наблюдений.
Понятия «явление», «измерение» и «наблюдение» тесно связаны между собой, но не совпадают. Древние наблюдали явления — в этом состоял их метод изучения природы. Из своих пристальных наблюдений они затем извлекали следствия с помощью чистого умозрения. По-видимому, с тех пор укоренилась уверенность, что явление существует независимо от наблюдения.
Мы много раз подчеркивали главное отличие нынешней физики от античной: она заменила умозрение опытом. Тепе-1А5
решняя физика не отрицает, что явления в природе существуют независимо от наблюдения (так же, как и от нашего сознания). Но она утверждает: объектом наблюдения эти явления становятся лишь тогда, когда мы укажем точный способ измерения их свойств.
