Принцип неопределенности Гейзенберга

Вспомним, что, когда фотонами обстреливают непрозрачный экран с двумя узкими параллельными прорезями, на втором экране, расположенном с некоторым интервалом позади первого, появляется рисунок из вертикальных полос. В этом частоколе линии, куда попадает большинство фотонов, перемежаются с участками, которых фотоны старательно избегают. Такой «интерференционный» рисунок обретает смысл только в том случае, если мы допустим: действительно существуют квантовые волны, ассоциированные с фотонами, и эти волны указывают фотонам, куда они должны попасть. Волны, выходящие из одной прорези, накладываются на волны, выходящие из второй прорези; они периодически усиливают или ослабляют друг друга, — вот на втором экране и возникает отчетливый рисунок из фотонов, похожий на зебровую шкуру.

Конечно, в свете догадки де Бройля ясно, что не только частицы света будут интерферировать друг с другом, если палить ими по прорезям в непрозрачном экране. Эксперимент с двумя прорезями даст тот же результат, если вместо фотонов использовать электроны, или сами атомы, или любые другие частицы. Хотя на деле чем массивнее частицы, тем меньше у них длина волны и тем труднее заставить их интерферировать. А если вы сумеете «уговорить» тяжелые частицы, чтобы они это сделали, увидеть зебровый рисунок будет не так-то просто.

Впрочем, какими бы ни были частицы, вспомним: интерференция происходит, если смешиваются две вещи (две волны накладываются друг на друга). Когда по прорезям стреляют одиночными частицами, да еще с большими интервалами, медленное выстраивание интерференционной картины на втором экране говорит о том, что каждая частица проходит сквозь обе прорези одновременно — иначе говоря, что она в один и тот же момент пребывает в двух разных местах [25]. Но что, если мы будем знать точно, через какую из прорезей проходит частица? Ясное дело: если нам это удастся, то интерференционная картина исчезнет, поскольку мы исключим возможность одновременного прохождения частицы через две прорези и смешивания ее с самой собой.

Скажу сразу: если бы интерференционная картина вдруг исчезла, это означало бы, что с частицами материи произошло что-то очень серьезное и тревожное, не говоря уже о том, что сама природа окружающей нас реальности изменилась бы коренным образом. Почему это так, можно понять, если мы вообразим, что именно нужно сделать, дабы определить, через какую прорезь проходит частица. Представим, что мы изменили масштаб эксперимента и теперь вместо фотонов, электронов или других субатомных частиц мы имеет дело с пулеметными пулями, экраном служит толстый стальной лист — допустим, толщиной в два-три сантиметра, — а две вертикальные прорези превратились в две узкие щели, пробитые в этом стальном листе. Сосредоточимся на пулях. Проходя сквозь щели, они рикошетят от стенок, и каждый раз, когда это происходит, стенки щели — а вместе с ними весь стальной лист — испытывают отдачу. Это дает нам возможность определить, через какую щель проходит пуля.

Для простоты картины вообразим, что пули, проходя сквозь щели, отскакивают от стенок и заканчивают свой путь, впиваясь в самый центр интерференционного рисунка. В этом случае мы можем сказать, что если стальной лист испытал отдачу влево, то пуля, должно быть, прошла сквозь левую щель. А если лист испытал отдачу вправо, то пуля, надо полагать, прошла через правую щель. Таким образом, теперь мы знаем, что, если нам не удается определить, сквозь какую щель проходит каждая пуля, на втором экране мы видим зебровый рисунок: полосы, усеянные пулями, перемежаются полосами, куда ни одна пуля так и не попала. А если мы обнаруживаем, сквозь какую щель пролетает каждая пуля — отмечая отдачи стального листа, — зебровый рисунок должен исчезнуть.

Теперь сосредоточимся на полосах. Что с ними должно произойти, чтобы они размылись? Ну как же! Всего-то и необходимо, чтобы пуля, которой суждено угодить именно в «пулевую» полосу, впилась либо в «пулевую» полосу, либо в «не пулевую». Этого достаточно, чтобы пули равномерно усеяли второй экран и зебровый рисунок, размывшись, превратившись в однородную серую поверхность. Вот что здесь имеется в виду: каждая пуля, несясь в воздухе, должна случайным образом хоть немного рыскать из стороны в сторону (ну хорошо, если слово «рыскать» не очень понятно, тогда «подрагивать»), — этого хватит, чтобы ее траектория стала в достаточной степени неопределенной, пуля угодит куда попало, и интерференционный рисунок перестанет существовать. А свое рыскание, или дрожание, пуля может обрести только в том случае, если она будет рикошетить от стенок щели, пробитой в стальном листе.

Иными словами, происходит следующее: уже одна только попытка определить, в какую щель пролетит пуля, наделяет ее тем самым рысканием, которое необходимо, чтобы разрушить интерференционную картину. Это рыскание — не что иное, как мера предосторожности: таким способом природа защищает квантовую теорию. Для того чтобы вести себя как волна, частица должна иметь возможность делать две вещи одновременно — или, сказать по-другому, иметь две возможности делать разные вещи, — так чтобы волны, ассоциируемые с этими неразличимыми, по сути, возможностями, могли накладываться друг на друга, или интерферировать. Если же эти возможности удается различить — путем измерения или наблюдения, что реализовалась скорее одна возможность, а не другая, — тогда уже больше нет неразличимых возможностей, а значит, нет и интерференции. Наше измерение-наблюдение делает нечто такое, что уничтожает возможность интерференции между частицами, а именно: оно наделяет частицы случайным рысканием [26].

Уточню — на примере с нашим пулеметом. Уже само обнаружение щели, сквозь которую проходит пуля, — иными словами, точное определение места, где эта пуля находится (вспомним про отдачу стенок щели), — наделяет пулю случайным рысканием и, таким образом, добавляет неопределенности ее скорости (или импульсу, что в данном случае одно и то же). В этом — вся суть! Как установил в 1927 году молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976), существует компромисс: чем больше мы уверены в том, где находится частица, тем меньше мы уверены в величине ее импульса. Обратное тоже справедливо: чем больше мы уверены в том, что знаем импульс частицы, тем меньше уверены в ее местонахождении.

И это фундаментальный принцип. Речь идет в равной степени как о неодолимой неопределенности наших представлений о субатомных частицах, так и о неодолимой непредсказуемости их поведения. В повседневном мире мы точно знаем: вот человек переходит улицу на городском перекрестке и движется он со скоростью три километра в час. В микроскопическом мире мы лишены возможности с уверенностью знать обе эти вещи. Если мы знаем точно одно, это неизбежно означает, что мы остаемся в полном неведении относительно другого. Есть предельный предел — да простят мне эту тавтологию — наших знаний об окружающем мире. Вглядитесь как следует в реальность, и вы не увидите там ничего четко обрисованного. Эта реальность расплывается бессмысленным пятном с неясными очертаниями, подобно фотографии в газете, если рассматривать ее слишком близко.

Вот он — «принцип неопределенности Гейзенберга». Именно этот принцип в конечном итоге объясняет, почему атомы не съеживаются, превращаясь в ничто, и почему земля под нашими ногами твердая. Согласен: тот факт, что электроны представляют собой волны, а волнам необходим простор, — это лишь половина объяснения. Вторая половина обнаружится, стоит лишь поразмышлять, что случится с электроном, если его начнут слишком сильно прижимать к ядру. Это будет означать, что его местоположение станет известным с большой степенью точности. Но, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем больше мы уверены в местоположении частицы, тем меньше мы уверены в ее импульсе. Это очень похоже на то, как если бы мы засунули пчелу в спичечный коробок. Встряхните коробок — пчела разозлится и будет с остервенением колотиться о стены своей тюрьмы. Вот электроны в атомах и есть те самые пчелы в коробках. Атомам, по словам поэта Адриана Митчелла, «на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…». Когда мы ступаем по земле, наш вес сжимает атомы, из которых она состоит. Это сжатие заставляет электроны хоть чуть-чуть, но приблизиться к ядрам. А принцип неопределенности Гейзенберга понуждает их воспротивиться и оттолкнуться от ядер.

Вот почему земля твердая, а материя — плотная. Да, в частности, по причине волновой природы электронов. Но также по причине неодолимой неопределенности микроскопического мира и еще потому, что наши знания о фундаментальной реальности имеют «предельный предел». Именно об этом в конечном итоге и говорит нам тот факт, что земля под нашими ногами — твердая.