Чарльз Флауэрс - 10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА
В 1925 г. молодому ученику Бора Вернеру Гейзенбергу исполнилось только 23 года, но ему уже удалось получить строгое обоснование концепции квантовых скачков между фиксированными атомными орбитами. Разработанный им математический аппарат являл собой сложную систему алгебраических уравнений (это, впрочем, мало пугало теоретиков, привыкших после Эйнштейна к головокружительным логическим построениям), однако проблема состояла в том, что уравнения Гейзенберга позволяли осуществлять только точный расчет орбит электронов, но не позволяли создать хоть сколь-нибудь понятную, зримую модель протекающих процессов. Иными словами, они обеспечивали лишь математическое описание атома, не давая никакой наглядной «картинки».
Другой молодой теоретик, Эрвин Шрёдингер сумел найти еще более удивительное свидетельство «безумности квантового мира». Он просто стал применять к частицам математический аппарат теории волн и… неожиданно тоже получил точные решения для электронных орбит. Разумеется, среди физиков-теоретиков немедленно начались ожесточенные споры о том, какое из предложенных описаний структуры атома (механика частиц Гейзенберга или волновая механика Шрёдингера) является правильным? Следует особо подчеркнуть, что в науке (как, впрочем, и во многих других областях деятельности, например в семейных отношениях и т. п.) наличие двух объяснений одного события всегда чревато крупными неприятностями, так что в квантовой физике сразу разгорелся нешуточный спор.
Казалось совершенно невероятным, что электроны можно описывать, пользуясь совершенно разными математическими аппаратами и разными типами уравнений, т. е. рассматривая их то в качестве частиц, то в качестве волн. Объект исследования должен был представлять собой (по крайней мере, в соответствии со здравым смыслом) либо то, либо другое. Читатель может представить себе частицы в виде маленьких, более или менее твердых шариков, способных отталкиваться (или как-то иначе взаимодействовать) друг с другом, что вполне согласуется с понятиями традиционной теоретической физики. В свою очередь, волны могут накладываться друг на друга, проходить друг через друга и усиливаться (или ослабляться) при взаимодействии, создавая более крупные (или, соответственно, мелкие) волны, причем такое поведение тоже прекрасно укладывалось в рамки традиционной физики, хотя и относилось к совершенно иному классу явлений и объектов. Проблема заключалась в том, что эти два описания нельзя было использовать одновременно для одного объекта.
Бурные разногласия в среде теоретиков кончились в 1926 г., когда Макс Борн нашел решение проблемы, которое используется до настоящего времени и сводится к тому, что… никакого ответа на поставленный выше вопрос не существует в принципе! Борн показал, что некорректной является сама постановка задачи о состоянии электрона, поскольку, строго говоря, мы можем говорить лишь о вероятности такого состояния или о возможности его реализации. Волна в уравнении Шрёдингера относится не к физически существующему объекту (типа привычных радиоволн или света), а к некоторому абстрактному понятию, а именно – к вероятности нахождения электрона в заданной точке пространства.
***Еще дальше в исследовании загадочного поведения квантовых объектов продвинулся Гейзенберг, которому удалось обнаружить в проблеме (волна/частица) совершенно неожиданный поворот мысли и придать этой дуальности новый физический смысл. Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия светового кванта (фотона) с веществом и вспомним, что способность видеть основана на регистрации фотонов, излучаемых объектом или отраженных от него (например, ночная тьма наступает после захода Солнца, когда линия горизонта прерывает поток солнечного света). Гейзенберг продемонстрировал, что эта ситуация выглядит иначе при освещении фотоном какой-либо субатомной частицы. Действительно, давайте представим себе крошечный фотон (математики называют такие сверхмалые объекты бесконечно малыми), сталкивающийся с отдельным (таким же бесконечно малым) электроном. Конечно, отраженный фотон приносит нам «информацию» о местоположении электрона, но совершенно ясно, что соударение одновременно изменяет это положение из-за самого процесса столкновения, так что получаемая нами информация является недостоверной и фактически говорит лишь о положении электрона до столкновения, а не в текущий момент времени. Читатель может легко сообразить, что посылка следующего фотона (для уточнения информации) не исправляет положения, поскольку он тоже несколько сместит координату электрона и т. д. Кстати, эта ситуация не является выдуманной, а целиком и полностью соответствует условиям и ограничениям реальных экспериментов с квантовыми объектами. Например, длина волны видимого света слишком велика для точного определения координаты электрона, вследствие чего экспериментаторы для повышения точности вынуждены пользоваться электромагнитным излучением с более короткими волнами (например, рентгеновскими лучами), однако такие кванты несут больше энергии и, естественно, значительно сильнее смещают электроны с исходных позиций.
Таким образом, мы никогда не можем точно определить координаты конкретного электрона, а можем лишь указать его положение в момент измерения и приблизительно вычислить (исходя из массы и других параметров столкновения) вероятность его местоположения в некотором диапазоне в последующие моменты времени.
Гейзенберг получил ставшее знаменитым соотношение, связывающее неопределенности в вычислении координат электрона и его импульса, возникающие при любых попытках одновременного измерения этих параметров. Уравнение было названо принципом неопределенности и получило широкую известность и популярность во многих далеких от физики сферах деятельности (например, в поп-культуре), где этому принципу, разумеется, были даны совершенно произвольные и неожиданные толкования.
Введенная Гейзенбергом неопределенность имеет весьма необычный и произвольный характер, так что ее учет может показаться даже «занудством» для всех тех, кому хотелось бы верить в существование физического мира, управляемого строгими и незыблемыми законами, когда при достаточном умении и наличии соответствующей аппаратуры можно осуществлять любые необходимые измерения. В 1927 г. Гейзенберг показал, что обнаруженный им принцип в несколько необычном смысле позволяет прояснить описанную выше запутанную ситуацию с определением координат электрона. Действительно, в соответствии с принципом неопределенности, мы не можем точно определить траекторию электрона, но вполне можем получить вероятность значений его координат в виде некоторой волновой функции. Иными словами, с математической точки зрения, в микромире электрон может быть эквивалентно описан и как волна, и как частица, т. е. проблема связана не с отсутствием достаточно точных методов детектирования микрочастицы, а с принципиальной неопределенностью того, что мы привыкли называть и считать «реальностью».
Из сказанного следует, что электрон имеет дуальную природу, поскольку может выступать в качестве волны, частицы или даже комбинации этих представлений. Почему? Да просто потому, что он способен вести себя по-разному! Вот уже несколько десятков лет физикам приходится удовлетворяться этим ответом, хотя очень многим из них он представляется неубедительным и неточным (Эйнштейн, например, относился к этому ответу с почти нескрываемой неприязнью!). Читателю можно лишь напомнить, что теория относительности действительно весьма сложна и трудна для понимания, но обладает внутренней логикой, собственными строгими законами и позволяет предсказывать результаты экспериментальных наблюдений. Физиков особенно раздражало и сбивало с толку, что в построениях Гейзенберга поведение электрона становилось непредсказуемым.
Некоторое понимание ситуации возникло лишь после появления еще одной гипотезы Бора, согласно которой электрон проявляет волновые или корпускулярные свойства в зависимости от того, какой тип детектора и принцип регистрации (волновой или корпускулярный соответственно) использует экспериментатор для определения параметров движения. Для изучения квантовых частиц можно и нужно применять оба типа детекторов, но при интерпретации полученных данных следует всегда учитывать дуальную природу изучаемых объектов. Гипотеза Бора, получившая название принципа дополнительности, не снимала основного противоречия теории, заключающегося в том, что при измерении параметров атомной системы мы изменяем значения этих параметров, т. е. получаем не точные значения, а лишь некоторые наборы вероятностей или потенциальных возможностей параметров.
В этой связи нельзя не вспомнить одну из самых знаменитых дискуссий в истории науки вообще между Бором и Эйнштейном о принципиальной неопределенности поведения квантовых систем. Многим кажется, что ученые слишком увлекаются своей работой и порой забывают или недостаточно глубоко размышляют о человеческой душе и религиозных проблемах, но приводимый ниже отрывок из переписки двух великих физиков доказывает обратное.
