Чтение онлайн

При входе в один старинный английский университет некогда висел плакат, рассчитанный, видимо, на абитуриентов и первокурсников: «Будьте осторожны! Физика может свести с ума!»

В этом оригинальном предупреждении проявилось утвердившееся постепенно на протяжении XX века представление о том, что к микромиру не следует подходить с позиций здравого смысла. Ибо там нормальная логика нарушена, там властвует логика «безумного» мира.

Пожалуй, окончательно стало ясно, что с физикой микромира «не все в порядке», когда Вернер Гейзенберг (1901–1976) обнародовал свой принцип неопределенности. Но, разумеется, первые симптомы появились гораздо раньше. Пожалуй, еще в XVII веке, когда вопреки интуиции и логике оказалось, что свет обладает и свойствами частицы (корпускулы, как считал Ньютон), и свойствами волны (так считал Гюйгенс). Впрочем, о том, что носитель света может одновременно вести себя и как частица, и как волна, тогда еще не догадывались.

Соотношение неопределенности Гейзенберга выражает фундаментальное положение квантовой механики и заключается в том, что такие переменные, как координата и импульс, энергия и время (и некоторые другие), не могут одновременно иметь точно определенные значения. Например, если у электрона определяют его положение (координату) с точностью Dx, то определить его импульс можно с неопределенностью, только большей, чем

Соотношение неопределенности для энергии и времени имеет вид:

где Е — неопределенность энергии и t — время пребывания частицы в данном состоянии.

Иными словами, как бы мы ни старались точнее определить, например, импульс электрона, у нас ничего не получится, более того, чем с большей точностью и тщательностью и на более совершенном приборе мы определим координату электрона, тем больше становится неопределенность в измерении величины его импульса.

Как выразился один известный автор: «Лучшие умы… пытались придумать такой прибор, который смог бы измерить координату тела и его импульс с точностью, большей, чем позволяет соотношение неопределенностей, но никому не удалось это сделать. Сделать это просто нельзя. Таков закон природы». А собственно говоря, почему? Какие реальные (природные) процессы происходят в микромире и почему они происходят именно так, что порождают именно такой закон природы и, соответственно, такое соотношение неопределенности?

Иногда физики объясняют природу принципа неопределенности тем, что, как только, определяя положение электрона, мы воздействуем на него хотя бы одним квантом энергии, между частицами происходит взаимодействие — мы как бы «сдвигаем» электрон, что и вносит размазанность в точность определения его импульса. Это, может быть, и правильно, но природа принципа неопределенности этим утверждением объясняется недостаточно, точнее, никакие объясняется. Ибо если мы «сдвинем» электрон механически, то почему бы наряду с определением его координаты не измерить и его импульс?

По моему убеждению, к этому объяснению необходимо добавить следующее: воздействуя на электрон квантами энергии, мы изменяем собственное время электрона, тем самым мы изменяем разницу между темпом времени на часах электрона и темпом собственного времени лаборатории, и поэтому измерение положения электрона и его импульса происходит в разные моменты времени. Может быть, в этом сущность явления? Тогда чем длиннее интервал времени между этими моментами, тем больше неопределенность.

Между прочим, только что высказанное допущение содержится (в непроявленном виде) в самом определении принципа неопределенности. Спрятано оно в соотношении между энергией и временем. Из него следует, что частица не может находиться в одном состоянии меньшее время, чем Dt при неопределенности энергии, равной или меньшей, чем DE. На мой взгляд, из этого следует, что скачки во времени — энергии порождены несовпадением моментов времени по часам различных частиц (или по часам одной из частиц и по часам лаборатории) при изменении собственного времени хотя бы у одной из частиц в момент взаимодействия.

От такого понимания природы возникновения соотношения неопределенности, конечно, не изменится само проявление принципа — его количественные соотношения. Это твердо установленная закономерность.

А между прочим, почему, чем с большей точностью и тщательностью на более совершенном приборе мы определяем координату электрона, тем больше становится неопределенность в измерении его импульса?

Потому, что наиболее совершенный прибор — это прибор с лучшей разрешающей способностью, а это предполагает воздействие, например, на электрон с большей частотой и, следовательно, с большей энергией. Большая порция энергии, приложенная к электрону, значительнее изменяет темп его собственного времени и тем самым значительнее изменяет интервал между моментами времени, в которые происходит измерение координаты электрона и его импульса. И от этой закономерности нельзя избавиться. Даже если воздействовать на электрон при измерении его координаты всего одним квантом энергии, имеющим минимальную величину. Отношение энергии волны к ее частоте всегда равно постоянной Планка (E = hn, где n — частота).

Именно поэтому соотношение неопределенности не может быть меньше этой постоянной. Другое дело, что, рассматривая механизм возникновения соотношения неопределенности с позиций гипотезы локально-когерентного времени, можно прогнозировать, когда это соотношение будет стремиться к минимуму. Тогда и только тогда, когда интервал времени между моментами, в которые фактически происходит определение координаты электрона и его импульса, будет минимальным…

Можно даже постараться представить себе мысленный эксперимент. Нужно при очередной попытке «обойти» соотношение неопределенности, установить, насколько при измерении координаты электрона изменяется темп его собственного времени, и ровно на такую же величину, и с тем же знаком, и в то же мгновение изменить темп собственного времени прибора (и часов) лаборатории. Тогда, если скачки во времени окажутся синхронными, может быть, и удастся то, что до сих пор никому не удавалось, — совместить моменты времени двух разноместных событий с участием подопытной частицы и лабораторного прибора. И, таким образом, свести к минимуму соотношение неопределенности. Впрочем, похоже, что такой эксперимент — нереален…

Несмотря на то, что за минувшие 70 лет физики вполне освоили соотношение неопределенности и широко используют его как один из основных «инструментов» познания микромира, такой выдающийся теоретик, как лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, позволяет себе такую фразу: «…Мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает». Это немного похоже на кокетство, тем более, что заявлено в публичной лекции, но смысл фразы вполне определенный — «квантовая физика и сегодня сталкивается с целым рядом непонятных явлений» {43}.

Одна из наиболее острых проблем — это «мгновенное дальнодействие» — парадоксальная ситуация, когда материальные тела (и не только элементарные частицы) вдруг проявляют себя как объекты, скорость движения которых превышает скорость света или приближается к ней.

Для описания широко известного (классического) спора — событий почти драматических — воспользуемся книгой английского ученого Поля Девиса {15}.

Наряду с создателями квантовой теории Гейзенбергом и Шредингером едва ли не главным поборником новой физики был Нильс Бор. Напротив, Эйнштейн, хотя и сам участвовал в создании квантовой теории, считал, что она либо ошибочна, либо истинна наполовину. Эйнштейн утверждал, что «безумие» атомного мира не является фундаментальным свойством, что это лишь фасад, за которым «безумие» уступает место здравому смыслу.

Великий Альберт Эйнштейн с завидным упорством продолжал свои атаки на квантовую неопределенность, пытаясь придумать новые мысленные эксперименты, которые бы обнаружили изъян в официальной версии, одним из сторонников которой был не менее великий Нильс Бор. Не раз дел о доходил о до публичных диспутов. И каждый раз Бор отвергал аргументы Эйнштейна.

Наконец, Эйнштейн, Подольский и Розен придумали эксперимент, в котором надеялись «перехитрить» принцип неопределенности. Для этого была использована идея частиц-близнецов, т. е. предполагалось получить одновременно две совершенно одинаковые частицы и одновременно измерить у первой из них импульс, а у второй — положение. При этом импульс у второй определился бы расчетным путем, исходя из закона сохранения импульсов. И тогда для второй частицы были бы определены (как бы одновременно) и импульс, и положение.