Физики показывают пример придирчивости

Уже на этом примере становится ясно, что суждения, вполне содержательные по отношению к большим предметам, могут стать бессмысленными в отношении микрочастиц.

Казалось бы, вполне осмысленная фраза: «Электрон прошел через отверстие в экране в таком-то направлении и, проходя через отверстие, имел такую-то скорость».

До того как было обнаружено на опыте, что все частицы обладают волновыми и корпускулярными свойствами, ни у кого не возникло сомнения, что этими словами можно описывать поведение электрона с тем же успехом, как, скажем, поведение маленькой горошинки.

Но на рубеже второй четверти нашего века было показано, что поток электронов, проходящих через отверстия в экране, создает интерференционную картину также, как и свет.

Это касается всех элементарных частиц. У более сложных и тяжелых частиц волновые свойства становятся тем менее заметными, чем больше их масса. Когда речь идет о больших молекулах, разговор на уровне горошинок становится оправданным.

Напомним, что интерференционные картины возникают лишь в волновых процессах и демонстрируют их в школе с помощью водяной ванны. Волны на воде складываются по простому закону: если в какую-нибудь точку обе волны приходят в фазе гребня, они усиливают друг друга, а если впадина одной волны накладывается на гребень другой, то в этом месте будет ровная водяная поверхность. Впрочем, не будем описывать школьные уроки. Бросьте в пруд близко друг от друга два камня и изучайте законы сложения волн.

Поведение водяных волн превосходно моделирует интерференцию света или потока электронов. Представьте себе экран с двумя близкими отверстиями. Волна доходит до плоскости экрана, проникает сквозь отверстия, и за экраном отверстия сами становятся источниками круговых волн. На другом экране – приемнике – возникает картина из чередующихся темных и светлых полос. Светлые там, где волны усиливают друг друга, а темные в тех местах, куда они приходят в противоположных фазах.

С точки зрения волновых представлений всё ясно, всё как на ладони. Понятно и со светом – это поток электромагнитных волн, а поток электронов – это поток электронов (шариков, как мы условились). Если один электрон прошел через одно отверстие, а другой через другое, то вроде бы им не положено знать про поведение друг друга, и на экране они должны дать однотонную картину! А если они, так сказать, незнакомы, то как можно объяснить на корпускулярном языке такую согласованность в их отклонениях, которая приводит к закономерному чередованию темных и светлых полос? Ведь если одну диафрагму загородить, то интерференционная картина исчезнет! Значит, оттого, что мы мешаем электронам проходить через одну диафрагму, меняется характер их прохождения через вторую и, может быть, они сами меняются! А это уж ни в какие ворота не лезет.

Итак, нельзя объяснять интерференцию электронов, говоря об этих частицах как о горошинках. Но, с другой стороны, ведь можно же физическими приборами проследить за движением одной частички и выяснить, через какое из отверстий она прошла? Можно! А тогда получается, что и нельзя и можно говорить о частицах на корпускулярном языке. Парадокс?

Мы уже предупреждали читателя: если использовать слова и логику для рассуждения об опытных фактах, то такие противоречия не могут возникнуть. Парадоксы появляются тогда, когда мы выходим за рамки эксперимента.

Объяснить, в чем тут дело, удалось одному из величайших физиков нашего века, Нильсу Бору. Путем рассмотрения различных мысленных опытов Бор показал, что невозможно в принципе одновременно следить за траекторией частицы и наблюдать интерференционную картину. Если начнем следить за движением электрона – разрушим (размажем) интерференционную картину. Будем разглядывать чередование полос на экране – ничего не сможем сказать о том, как двигались электроны.

«Оказалось, – пишет Бор, – невозможно провести резкую границу между поведением атомных объектов самих по себе и их взаимодействием с измерительными приборами, которые определяют самые условия возникновения явлений».

Разговор об электроне как о горошинке оказался лишенным смысла. Мы не можем предложить в принципе такой опыт, который помог бы установить одновременно положение и скорость элементарной частицы. Таким образом, вопрос о том, чему равна скорость частицы, проходящей какую-то точку пространства, столь же бессмыслен, как и вопрос о том, кто ходит вниз головой – мы или наши антиподы.

Необходимо подчеркнуть, что речь идет вовсе не о незнании, а об отсутствии смысла. На отказе применять для электрона понятие траектории наука теряет столько же, сколько отказываясь от бога или от абсолютного пространства и времени, короче – от комбинаций любых слов, не имеющих отражения в реальной жизни.

Большой процент слушателей перебивает на этом месте лектора вопросом: «А как же частица движется, как она выглядит на самом деле?

Хотя мы, по сути дела, уже разбирали этот вопрос, но повторим ответ, прибегнув к небольшой перефразировке.

Когда кондуктор объявляет: «Приехали, конечная остановка!» – то всегда найдется человек, который спросит: «А дальше вагон не пойдет?» Кондуктор терпеливо (а иногда и не очень) повторяет: «Не пойдет!»

Вопрос о том, как частица движется и как она выглядит, поставлен плохо. На такой вопрос нельзя ответить потому, что вопрос бессмыслен. Нельзя об элементарной частице говорить как о горошине.

А как же о ней говорить?

Вот это уже превосходный вопрос, и на него исчерпывающим и подробным образом отвечает наука, называемая квантовой механикой. Оказывается, можно предложить для описания электронов особый язык, с помощью которого со стопроцентным успехом предсказывается результат эксперимента. Стоп! А как же быть с утверждением, что траекторию электрона предсказать нельзя? Нельзя, потому что ее нет, потому что это понятие лишено реального смысла? Значит ли это, что представление об электроне как о горошине есть полная глупость?

Здесь дело обстоит совершенно так же, как и с абсолютностью времени. Можно строго оговорить условия, при которых классический образ частицы как горошины, движущейся по осмысленной траектории, начинает выглядывать из тумана математических формул.

Эти условия формулирует «Принцип неопределенности Гейзенберга». В этой книге нет математических формул, и не стоит делать исключение и для этого принципа, который записывается всего лишь семью буквами латинского алфавита. Основное содержание его несложно – траектория частицы видна тем отчетливее, чем больше масса частицы. Молекула в этом смысле уже является классическим объектом, и о молекуле можно разговаривать на том же языке, что и о пылинках.

Правила языка квантовой механики для легчайших частиц, таких, как электроны, содержат в себе, например, следующие пункты. Фраза: «Электрон находится в данном месте» – имеет смысл. Но фраза – «Электрон находится в данном месте и имеет данную скорость» – лишена содержания.

Как видите, язык более сложный, чем для описания поведения горошинок. Не случайно квантовую механику не удается преподавать в школе. Хотя надо надеяться, что педагоги что-либо придумают. Очень было бы полезно.

Квантовая механика, так же как и теория относительности, учит нас придирчивости к языку, используемому для описания фактов. Если мы желаем избежать рениксы, то должны помнить, что утверждения о явлениях мира должны формулироваться так, чтобы в принципе была возможность их проверить.

Одновременно с этим мы еще и еще раз убеждаемся в том, что открытие новых законов природы не отменяет старые, а лишь ограничивает их области применения. Мы видим также, что упрощенные модели не являются стопроцентным заблуждением. Если они успешно применялись для описания части фактов, то, значит, в них содержится элемент истины.
[1] [2]