В гості до квантів – фізика квантів

Після довгих поневірянь я отримав візу на право в’їзду в мікросвіт. Це була маленька книжечка в синій обкладинці, на якій стояло: «Диплом інженера-фізика». Оскільки справа минула, зізнаюся: отримати таку візу було не так-то просто. Довелося витратити багато часу, щоб умовити професорів, які багато років прожили в чотиривимірному просторі, серед нейтронів і антипротонів.

Без розчарування не обійтися

Я очікував побачити казкову країну, в якій замість звичних предметів, людей, сонця, дерев, будинків — на кожному кроці зустрічаєш протони, електрони, кванти світла, тобто фізичні тіла з абсолютно незвичайними властивостями. Але сталося непередбачене. Країну, яку так барвисто описувала науково-популярна література, я просто не знайшов! Так, мікросвіту не було! Але зате я побачив щось таке, що насилу вкладалося в уяві.

Як оцінити старанність

Щоб зрозуміти, в чому справа, доведеться повернутися до рубежу XIX і XX століть. Все почалося з відкриття кванта дії. Словом «дія» у фізиці називають одну дуже цікаву величину. Ось що вона характеризує. Припустимо, ви піднялися по сходах з першого поверху на п’ятий. Багато вам довелося докласти старань? Тут все залежить від того, скільки ви витратили часу. Одна справа, якщо підйом зайняв годину, і зовсім інша — якщо кілька секунд. У першому випадку особливо старатися не треба, а в другому — треба.

Міру вашої старанності фізики і висловили б величиною дії. Виконану роботу (або виділену енергію) вони помножили б на час, що ця робота зайняла. При цьому, щоправда, вийшло б, що чим більше старанність, тим менше величина дії. Нічого дивного: згадайте, що більшій продуктивності праці токаря відповідає менший час обробки однієї деталі. Вас це не дивує!

Не бійтеся перестаратися

Зверніть увагу на те, що старанність не може бути безмежною. У 1900 році до такого висновку прийшов німецький вчений Макс Планк, намагаючись пояснити, яким чином нагріте тіло випромінює енергію. Щоб врятувати теорію випромінювання від суперечностей, Планк змушений був припустити, що дія складається з дрібних порцій — квантів. Він розрахував і величину такої порції. Ця величина вважається мінімальною мірою дії, тобто квантом дії. Її позначають символом h.

Будь-яка дія, з якою доводиться мати справу фізикам, завжди складається з цілого числа таких елементарних квантів.

Чому до Планка про це не підозрювали? Та з тієї ж самої причини, чому тривалий час нічого не знали про атоми. Поки ми маємо справу з безліччю крихітних квантів дії (як, скажімо, при бігу по сходах), просто неможливо помітити їх окремо. Але у процесах, які вивчає атомна та ядерна фізика, то й діло відбуваються дії, порівнянні з h. Тут-то і виявляється неподільність цієї величини.

Чи легко передбачити майбутнє?

У XIX столітті фізика заявляла, що в мікросвіті у речей немає ні кольору, ні запаху, ні смаку. Та й самих речей, по суті, немає — є тільки матеріальні точки (такі, що володіють масою й іноді електричним зарядом), які рухаються в порожньому просторі. І найважливіше: рух матеріальних точок заздалегідь зумовлений початковими положеннями і швидкостями. Нічого випадкового, ніяких несподіванок в класичному мікросвіті не допускається.

Якщо вас вночі блоха вкусила, то це закономірно і неминуче випливало з розташування атомів в первинній туманності, що колись породила Сонце, планети, а потім — і земну природу з усіма її багатовіковими змінами та, зрештою, цю саму злощасну блоху. Саме цю і ніяку іншу! Бо за законами класичної механіки, рух тіл строго однозначно визначається рухами в попередній момент. Майбутнє закономірно випливає з цього без усякого вибору різних можливостей, різних варіантів.

Відкриття елементарного кванта дії відкинуло настільки безнадійно фаталістичний погляд на світ. Чому? Спочатку — маленький відступ.

Підглядати — справа делікатна

Знаючи закони руху планет, астроном впевнено пророкує все, що станеться з ними в майбутньому. Для цього він, по-перше, знаходить систему світил, яку можна вважати ізольованою від зовнішніх впливів; по-друге, визначає початковий стан тіл системи (положення і швидкості всіх планет); і після цього робить обчислення за формулами небесної механіки. Все виходить відмінно. Астрономічні передбачення точно збуваються. Цим підтверджується істинність законів небесної механіки. Ну, а атом? Чи можна прорахувати його внутрішні рухи?

Методами класичної механіки цього зробити не можна. Тут наше «по-перше» виключає «по-друге», і навпаки. Адже щоб визначити початковий стан системи атома, треба виміряти координати і швидкості електронів, але будь-який реальний вимір тут поведе до порушення ізольованості системи. Занадто малий і «ніжний» атом, занадто грубі прилади, якими можна «помацати».

Бажання «підглянути» те, що відбувається в ізольованій системі, не вносячи в неї збурень, здійснено лише коли мова йде про дуже масивні тіла — наприклад, про планети сонячної системи. Промінь світла або радіолокаційний сигнал практично не впливають на рух планети. Інакше йде справа з об’єктами в мікросвіті.

Квант делікатності

Відкриття кванта дії h показало, що є межа «делікатності», з якої ми можемо заглядати в атом. Адже заглядати — значить робити якісь дії. Однак сама крихітна порція дії — її елементарний квант. А який він не малий, в атомному світі це досить значна величина. Отже, спроба виміряти координати, скажімо, електрона неминуче призведе до того, що він змінить свій початковий рух, який нас цікавив. А звідси висновок: у мікросвіті не може бути абсолютно неминучого, фаталістично зумовленого ходу подій. Чи означає це, що існування елементарного кванта дії кладе межу можливостей пізнання? Ні, це не так. Все, що існує, може бути пізнане.

Мікросвіт — це не світ мікропредметів

Просто ми повинні твердо усвідомлювати, що атом – це аж ніяк не система маленьких грудочок речовини, начебто планет, що обертаються навколо Сонця. Квантова механіка забороняє описувати його у вигляді подібної системи. Чому?

Ми живемо в світі фізичних тіл і предметів, наділених різними сукупностями властивостей. Так, предмет з певним кольором, формою, смаком, запахом ми називаємо «яблуком», з іншими, настільки ж певними властивостями, — столом. В атомному світі нічого подібного немає. Атоми, елементарні частинки, атомні ядра та інше — це не предмети. Те, що вони викликають — спалахи на екранах, сліди на фотопластинках, спрацьовування лічильників,— не можна представити як сліди, які залишає якесь певне тіло з певними фізичними властивостями.

Далі буде.

Автор: І. Стаханов.