В гости к квантам – физика квантов

После долгих мытарств я получил визу на право въезда в микромир. Это была маленькая книжечка в синей обложке, на которой стояло: «Диплом инженера-физика». Поскольку дело прошлое, признаюсь: получить такую визу было не так-то просто. Пришлось потратить много времени, чтобы уговорить профессоров, много лет проживших в четырехмерном пространстве, среди нейтронов и антипротонов.

Без разочарования не обойтись

Я предвкушал увидеть сказочную страну, в которой вместо привычных предметов — людей, солнца, деревьев, домов — на каждом шагу встречаешь протоны, электроны, кванты света, то есть физические тела с совершенно необычными свойствами. Но случилось непредвиденное. Страну, которую так красочно описывала научно-популярная литература, я просто не нашел! Да, микромира не было! Но зато я увидел нечто такое, что с трудом укладывалось в воображении.

Как оценить старательность

Чтобы понять, в чем дело, придется вернуться к рубежу XIX и XX столетий. Все началось с открытия кванта действия. Словом «действие» в физике называют одну очень любопытную величину. Вот что она характеризует. Предположим, вы поднялись по лестнице с первого этажа на пятый. Много ли вам пришлось приложить старания? Тут все зависит от того, сколько вы истратили времени. Одно дело, если подъем занял час, и совсем другое — если несколько секунд. В первом случае особенно стараться не нужно, а во втором — нужно.

Меру вашей старательности физики и выразили бы величиной действия. Выполненную работу (или выделившуюся энергию) они помножили бы на время, которое эта работа заняла. При этом, правда, получилось бы, что чем больше старательность, тем меньше величина действия. Ничего странного: вспомните, что большей производительности труда токаря отвечает меньшее время обработки одной детали. Вас ведь это не удивляет!

Не бойтесь перестараться

Обратите внимание на то, что старательность не может быть беспредельной. В 1900 году к такому выводу пришел немецкий ученый Макс Планк, пытаясь объяснить, каким образом нагретое тело излучает энергию. Чтобы спасти теорию излучения от противоречий, Планк вынужден был предположить, что действие состоит из мельчайших порций — квантов. Он рассчитал и величину такой порции. Эта величина считается минимальной мерой действия, то есть квантом действия. Ее обозначают символом h.

Любое действие, с которым физикам приходится иметь дело, всегда состоит из целого числа таких элементарных квантов.

Почему до Планка об этом не подозревали? Да по той же самой причине, почему долгое время ничего не знали об атомах. Пока мы имеем дело с бесчисленным множеством крошечных квантов действия (как, скажем, при беге по лестнице), просто невозможно заметить их в отдельности. Но в процессах, которые изучает атомная и ядерная физика, то и дело происходят действия, сравнимые с h. Тут-то и обнаруживается неделимость этой величины.

Легко ли предсказать будущее?

В XIX веке физика заявляла, что в микромире у вещей нет ни цвета, ни запаха, ни вкуса. Да и самих вещей, по сути, нет — есть только материальные точки (обладающие массой и иногда электрическим зарядом), которые движутся в пустом пространстве. И самое важное: движение материальных точек заранее предопределено начальными положениями и скоростями. Ничего случайного, никаких неожиданностей в классическом микромире не допускается.

Если вас ночью укусила блоха, то это закономерно и неизбежно следовало из расположения атомов в первичной туманности, некогда породившей Солнце, планеты, а потом — и земную природу со всеми ее многовековыми переменами и, в конце концов, эту самую злосчастную блоху. Именно эту, и никакую другую! Ибо по законам классической механики движение тел строго однозначно определяется движениями в предшествующий момент. Будущее закономерно вытекает из настоящего без всякого выбора разных возможностей, разных вариантов.

Открытие элементарного кванта действия отвергло столь безнадежно фаталистический взгляд на мир. Почему? Сначала — маленькое отступление.

Подглядывать — дело щекотливое

Зная законы движения планет, астроном уверенно предсказывает все, что произойдет с ними в будущем. Для этого он, во-первых, находит систему светил, которую можно считать изолированной от внешних влияний; во-вторых, определяет начальное состояние тел системы (положения и скорости всех планет); и после этого делает вычисления по формулам небесной механики. Все выходит отлично. Астрономические предсказания точно сбываются. Этим подтверждается истинность законов небесной механики. Ну, а атом? Можно предвычислить его внутренние движения?

Методами классической механики этого сделать нельзя. Тут наше «во-первых» исключает «во-вторых», и наоборот. Ведь чтобы определить начальное состояние системы атома, надо измерить координаты и скорости электронов, но любое реальное измерение тут поведет к нарушению изолированности системы. Слишком мал и «нежен» атом, слишком грубы приборы, которыми можно его «пощупать».

Желание «подсмотреть» то, что происходит в изолированной системе, не внося в нее возмущений, осуществимо лишь когда речь идет об очень массивных телах — например, о планетах солнечной системы. Луч света или радиолокационный сигнал практически не влияют на движение планеты. Иначе обстоит дело с объектами в микромире.

Квант деликатности

Открытие кванта действия h показало, что есть предел «деликатности», с которой мы можем заглядывать в атом. Ведь заглядывать — значит производить какие-то действия. Однако самая крошечная порция действия — его элементарный квант. А как он ни мал, в атомном мире это довольно внушительная величина. Следовательно, попытка измерить координаты, скажем, электрона неизбежно приведет к тому, что он изменит свое первоначальное движение, которое нас интересовало. А отсюда вывод: в микромире не может быть абсолютно неизбежного, фаталистически предопределенного хода событий. Значит ли это, что существование элементарного кванта действия кладет предел возможностям познания? Нет, это не так. Все, что существует, может быть познано.

Микромир — это не мир микропредметов

Просто мы должны твердо отдавать себе отчет, что атом это отнюдь не система маленьких комочков вещества, вроде планет, обращающихся вокруг Солнца. Квантовая механика запрещает описывать его в виде подобной системы. Почему?

Мы живем в мире физических тел и предметов, наделенных разными совокупностями свойств. Так, предмет с определенным цветом, формой, вкусом, запахом мы называем «яблоком», с другими, столь же определенными свойствами, — столом. В атомном мире ничего подобного нет. Атомы, элементарные частицы, атомные ядра и прочее — это не предметы. То, что вызывают они — вспышки на экранах, следы на фотопластинках, срабатывание счетчиков,— нельзя представить как следы, которые оставляет какое-то определенное тело с определенными физическими свойствами.

Продолжение следует.

Автор: И. Стаханов.