Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приближенно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Согласно соотношению неопределенностей, чем точнее фиксирован, например, импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Согласно принципу неопределенностей, теряет смысл одно из важнейших понятий классической механики — понятие траектории частицы. Ведь это понятие предполагает, что в любой момент времени частица находится в определенной точке пространства и имеет импульс, направленный по касательной к траектории. Теперь уже нельзя говорить, что частица движется вдоль какой-то линии. Ньютоновское описание движения в микромире становится невозможным.

В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, в том числе, собственно, измеряемые величины.

Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей книга может сдвинуться со своего места и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (в данном случае совершенно правильно), что акт измерения не влияет на измеряемые свойства объекта измерения. А теперь задумайтесь о процессах, происходящих на субатомном уровне.

Допустим, мне нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Мне по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у меня нет.

Для окружающих нас предметов, например той же книги, их положение в пространстве не зависит от того, смотрим мы на них или нет. А вот в микромире «посмотреть» на частицу, не изменив при этом ее положения, невозможно.

Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную спутниковую систему определения местоположения (GPS — навигационная система, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли), чтобы определить местоположение этой книги, то система вычислит их с точностью в несколько метров. Так, с точки зрения оператора GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах нескольких квадратных метров.

Ситуацию можно сильно оптимизировать, если взять обыкновенную линейку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1 м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определить пространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы.

Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и вычислить точные координаты книги вполне реально.

Распределение пуль в мишени и двухщелевой эксперимент

Распределения А, В и С соответствуют случаям, когда открыты только щель А, только щель В или обе щели. Следовало бы ожидать распределения А+В, но эксперимент дает распределение С. В классической механике и нашей повседневности любая материальная частица — это вещественный предмет, находящийся в данный момент времени в определенном месте, с определенной энергией и скоростью. При этом допускается, что точность параметров частицы может быть любая. Связывая импульс частицы с длиной волны, мы получаем образ бесконечной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. Следовательно, выражение «длина волны в данной точке» не имеет никакого смысла, так же как и понятие точечного импульса.

В классической науке вероятностный подход отражен в знаменитом высказывании Лапласа о том, что если бы существовал ум, осведомленный в данный момент о всех силах природы в точках приложения этих сил, то «не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором». Это называется лапласовским детерминизмом. Безусловно, это умонастроение не исчерпывается приведенным высказыванием Лапласа о всеведущем разуме. Оно представляет собой тонкую и глубокую систему представлений о реальности и способах ее познания.

С позиций лапласовского детерминизма ньютоновская механика с ее однозначными законами является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория с этой точки зрения должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных механических законов.

Некоторые интерпретации квантовой физики были построены с позиций лапласовского детерминизма. Их развивали такие видные ученые, как сам Планк, Эйнштейн, Шрёдингер, Луи де Бройль. Они и их многочисленные сторонники утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории.

Против такой интерпретации квантовой механики выступили научные школы Бора, Борна, Бриллюэна, а также все, кто видел в квантовой механике полноценную и полноправную физическую теорию. Хотя дискуссии в отношении статуса вероятностных представлений в современной физике не закончены до сих пор, тем не менее развитие квантовой механики постепенно ослабляет позиции сторонников лапласовского детерминизма.

Вообще говоря, обсуждая вероятностный характер квантовой физики и детерминизм классической механики, следует понимать, что случайности могут создавать новые исторические сущности не только на уровне микрообъектов.

Научный поиск во многом напоминает раскрытие самых хитроумных преступлений, только он несравнимо более увлекателен и занимателен. Поэтому, рассказывая об истории научных открытий, необходимо уделить внимание логическим построениям их авторов. Вспомним несравненного сыщика Эркюля Пуаро Агаты Кристи, как он расследует замысловатые детективные головоломки, то возвращаясь к началу расследования, то перескакивая через несколько эпизодов к заинтересовавшей его детали, то останавливаясь в задумчивости и переходя к какой-то совершенно иной версии.

Нечто подобное предстоит испытать и читателю, ощутив, как волею хитросплетений сюжета медленное ровное течение естественной истории (так называли раньше все естественные науки, включая физику) сменилось бурным потоком поражающих воображение открытий. А ведь и девятнадцатый век имел перед наукой большие заслуги — это и совершенные паровые турбины, и электричество, и радиоактивность, и рентгеновские лучи, и опыты с электромагнитными колебаниями Герца. Тем не менее произошедший поворот в научном знании и, без всякого преувеличения, в истории человеческой цивилизации, был несравнимо глубже и принципиальнее.