Шрифт:
Закладка:
Но проблема в том, что, несмотря на хорошие вероятности ожидаемых параметров частицы, мы не можем одновременно знать ее импульс и координаты. Не в меру умный Гейзенберг (кстати, на тот момент ему было 26 лет) объяснил монстрам классической физики, что это совсем не «фигня какая-то», а фундаментальное свойство нашего мира.
И нарисовал поясняющую формулу: Δx * Δp ⩾ h, которая означает, что если мы умножим неопределенность положения частицына неопределенность ее импульса, то всегда получим число большее нуля, которое еще и связано с постоянной Планка. Проверьте сами: если мы точно знаем, где находится частица, то есть Δx=0, то выражение становится бессмысленным.
Чтобы не приводить в пример мудреные графики и формулы, вот вам демонстрация принципа неопределенности на простом опыте. Если стрелять частицами по широкой щели, то на экране позади будут появляться следы частиц примерно в окрестностях проекции щели. Но вот мы начинаем уменьшать щель, то есть загонять частицы в этот самый Δx. И что же мы видим на экране? Импульс (не забываем, что у него есть направление) становится более непредсказуемым.
Можете себе представить, как тряхануло весь ученый мир, зато остальной народ ничего не понял, так как готовился ко Второй мировой, занимался коллективизацией, пытался вылезти из Великой депрессии и т. д. и т. п. Да и сам Гейзенберг не смог отвертеться от участия в немецком ядерном проекте во время Второй мировой (но по легенде, он этот проект как мог саботировал, умничка).
Оказалось, что природа защитила свои секреты вот таким законом, который никому никогда не обойти. Мы можем узнать вероятные значения параметров частицы с заданной точностью, но никогда не предскажем точно оба параметра. Кроме того, принцип Гейзенберга распространяется не только на импульс и местонахождение — он также справедлив для энергии частицы и момента времени, когда частица этой энергией обладает.
Вот формула для самых любознательных читателей: ΔЕ * Δt ⩾ h.
Итак, мир устроен на принципиальном незнании всего одновременно. На практике ученым приходится довольствоваться некоторым компромиссом между знаниями о тех и других параметрах. Например, в кинескопах электроны с высокой точностью направляются на экран для получения изображения. Кажется, что, пуляя электронами по экрану мы попадаем с определенной энергией в определенную точку, и никакого принципа Гейзенберга здесь нет. Но дело в том, что размеры активной точки на экране, которая нам видится малюсенькой, для электрона — огромная площадь, и ему есть где развернуться в демонстрации своей неопределенности. Но если бы мы продолжили увеличивать разрешение экрана, то в какой-то момент перестали бы попадать электронами в цель в силу вышеуказанного принципа. Так что на макроуровне неопределенность Гейзенберга нам особо и не мешает, но когда дело доходит до сверхточных процессов, в коллайдерах или микроэлектронике, то там просто беда-беда.
Небольшое уточнение: кое-какие точные параметры частице все-таки разрешено иметь. Например, масса покоя или заряд. Но это, сами понимаете, такие мелочи.
Еще один пример действия квантовой неопределенности мы уже встречали в нашей статье про вакуум. Теперь стало немного понятнее, почему вакуум не может существовать с точки зрения квантовой физики: вакуум — это поле с нулевой энергией и нулевым количеством частиц. А этого одновременно быть не может, поэтому природе приходится создавать квантовую пену из виртуальных частиц, нарушающих все законы сохранения, лишь бы обойти дурацкий запрет на точное знание всех параметров.
Некоторые люди, включая даже научную братию, искренне считают, что разгадка неопределенности находится в проблеме измерения. Ведь частица это не мячик, и когда мы пытаемся измерить какое-то ее свойство, мы заставляем частицу повзаимодействовать с другой частицей (фотоном, например). Это взаимодействие, собственно говоря, и уничтожает первоначальные параметры частицы, предоставляя нам новые непредсказуемые значения. Это утверждение истинно отчасти. Измерение (наблюдение) действительно дает нам информацию, но, и это важный философский момент, оно не искажает информацию, оно ее создает. До измерения кванты вполне определены — вон летят в своих суперпозициях, во всех возможных и невозможных вариантах, хоть это и трудно представить). Наблюдение же вытаскивает в нашу макроскопическую реальность случайный вариант с каким-то параметром, причем обязательно в ущерб другому. Напоминаем, однако, что это не значит, что где-то там сидит некий Вселенский Измеритель с линейкой, и решает, что измерить в каждый момент времени — координаты или импульс).
Наглядную, но не слишком правильную аналогию, демонстрирующую принцип неопределенности, мы вычитали у какого-то автора, пытающегося делать то же, что и мы. Представьте себе непрозрачную трубку, в которой летает муха. Вот она летает от одного конца трубы до другого. Ее средняя скорость нам вполне известна (справились у Википедии), но местонахождение животинки мы предсказать не беремся: муха может отклониться от траектории, присесть, помыть лапки и так далее на всей длине трубки. Но вот мы начинаем трубку сжимать. Муха видит, как на нее надвигается гигантский пресс. Места для ее полетов все меньше и меньше. Муха паникует и начинает ускоренно летать в сжимающемся пространстве, врезаясь в стенки. Теперь мы знаем ее местонахождение гораздо точнее, но вот ее скорость уже не предсказуема. Паника творит чудеса даже в микромире, не правда ли?
Интереснейшим практическим следствием неопределенности является туннельный эффект.
Если по каким-то причинам местонахождение частицы становится все более и более определенным, то импульс становится, как мы уже поняли, совсем непредсказуемым. Вследствие этого совершенно обычного квантового явления неопределенность импульса может дать частице дополнительную энергию. Такая частица иногда вытворяет очень странную вещь: проходит сквозь непреодолимый барьер. В макромире, где такого, конечно же, не случается, это выглядело бы как прохождение сквозь стену или выпрыгивание из ямы без видимых причин. Муха из примера выше телепортировалась бы за пределы трубки и полетела по своим делам. Но туннелирование-таки существует и проявляется в макромире. Техника дошла до того, что мы используем явление в быту, например, в туннельном диоде или сверхпроводниках. Тот же радиоактивный распад существует благодаря эффекту туннелирования: альфа-частицы отрываются от тяжелого ядра не за счет собственных сил — ядро их на самом деле очень крепко держит (мы как-то уже рассказывали про сильное взаимодействие) — а как раз из-за существования ненулевой вероятности прорваться через энергетический барьер. И существование термоядерного синтеза внутри звезд (из-за которого наше солнце светит) также обусловлено туннелированием.
Не так давно (в
