Перенесемся сначала в идеально тихую комнату, где не шелохнется воздух, куда не доходят извне никакие, даже самые слабые толчки, шорохи, звуки. В этой комнате мы стреляем из лука по мишени.
Ничто непредвиденное нам не мешает. Зная начальное положение стрелы, ее вес, форму, учтя силу натяжения тетивы и плотность воздуха, можно в принципе добиться самой меткой стрельбы. Методы классической механики дают возможность перед выстрелом идеально учесть все начальные условия и с любой точностью заранее рассчитать путь летящей стрелы.
А теперь призовем на помощь волшебника, который, правда, сыграет чисто подсобную роль: удалит из нашей тихой комнаты абсолютно весь воздух, выдаст нам кислородные приборы, наделит нас способностью мгновенно соображать и делать математические расчеты, а вместо лука и стрел предложит нам фантастический «пистолет» стреляющий электронами.
Мы опять хотим стрелять без промаха и стремимся идеально вычислить путь полета частицы. Вооружившись приборами, стараемся точно зафиксировать положение и скорость электрона, когда он вылетает из дула «пистолета».
И тут оказывается, что у нас ничего не выходит. Электрон словно ускользает от измерений. Если нам удалось узнать, где он, абсолютно невозможно выяснить с нужной точностью как скоро он движется. Наоборот, если мы определим его скорость нам стало недоступно его точное местонахождение.
То хвост застрял, то нос увяз!
И как мы ни совершенствуем свои приборы сколько измерении ни делаем, электрон упрямо не желает сообщать одновременно обе основные характеристик своего движения: местонахождение и скорость. «Пожалуйста словно говорит он, - измеряйте что-нибудь одно, а второе пусть уж останется в некоторых пределах нёопределенным. Иначе я не могу, такова уж моя природа».
В этом-то и заключается сущность главного закона микромира - соотношения, найденного Гейзенбергом.
Количественно оно выражается неравенством :
Как видно из неравенства, уточнение координаты неизбежно влечет за собой «расплывание» импульса. И, скажем, если ∆x ничтожно мала (координата определена весьма точно), то ∆p чрезвычайно велика (импульс весьма неопределенен).
*1Ради простоты в предыдущих рассуждениях мы говорили не об импульсе, а о скорости микрочастицы. Это допустимо, ибо масса частицы вносит лишь количественные изменения и не влияет на качество процесса.
Вот вам основной закон — «конституция» микромира.
ЧАСТИЦЫ И СРЕДАКак же все-таки объяснить необычное поведение электрона?
Много лет бьется наука над этой загадкой. Немало было горячих дискуссий, высказывались самые различные предположения.
Идеалистически настроенные ученые выдвигали нелепейшие домыслы: о принципиальной непознаваемости взаимодействия электрона с регистрирующим его прибором, о «свободе воли» частицы, ее мнимой способности «скрывать» свое состояние и самостоятельно выбирать путь движения. Все это, разумеется, не решает задачу, а ведет попросту к отказу от решения. Наука подменяется мистикой.
Не мудрено, что физики-идеалисты и здесь заходят в тупик, докатываются даже до разговоров о границах познания, о божественной таинственности микромира.
Подлинно научные причины своеобразия поведения электронов ищут ученые-материалисты.
Ни у кого не вызывает сомнений, что микрочастицы по сущности своей мало похожи на крупные тела, знакомые нам из повседневной жизни, — такие, скажем, как артиллерийские снаряды. Снаряд мыслится совершенно независимым от пространства, в котором он находится. Движение его может быть целиком определено первоначальным толчком. Дальше ему ничто не мешает — во всяком случае, в пространстве, освобожденном от воздуха.
Иное дело — электрон. Как и любая микрочастица, он, очевидно, теснейшим образом связан с окружающим пространством. Такое воззрение в последние годы нашло веские подтверждения и в теории и на опыте. Найдены доказательства того, что в природе вообще не существует абсолютной пустоты. Реальное пространство, пусть даже совершенно лишенное вещества, представляет собой наслоение всякого рода силовых полей и, как показывают тончайшие измерения, словно непрерывно трепещет. «Пустота, вакуум, — пишет советский физик Д. И. Блохинцев, — это не покой, а вечное движение, подобное зыби на поверхности моря».
Но если так, то микрочастицы просто невозможно изолировать от воздействия среды, как мы охраняли от посторонних толчков стрелу в нашей тихой комнате. Да и сами микрочастицы представляют собой, вероятно, неотъемлемую часть этой среды, «возбуждения» реального физического пространства. Используя меткий образ одного физика, можно сказать, что микрочастицы, двигаясь и взаимодействуя в пространстве, не въезжают в готовую квартиру, а сами строят себе дом. Видимо, где-то здесь и скрыта причина их необычного поведения.
Изложенный взгляд многим материалистически настроенным ученым представляется наиболее правдоподобным. Справедлив ли он на самом деле, покажет грядущее развитие науки. Нет никакого сомнения в том, что своеобразное поведение микрочастиц найдет со временем исчерпывающее истолкование. А пока наука принимает бесспорные экспериментальные факты и строит на их основе дальнейшие выводы.
ВОЛНЫ ВЕРОЯТНОСТИИтак, выстрелив электроном по мишени, мы не сумеем заранее вычислить, в какое именно место цели он попадает. Частица может оказаться и в центре мишени, и с краю, и даже в самых, казалось бы, неподходящих местах — например, где-нибудь далеко сбоку.
Попробуйте-ка представить себе охотника, который, прицелившись в летящую утку, убивает крота в норе.
Немыслимо!
Между тем нечто подобное допускается законами микромира.
Но тогда уместен вопрос: какие же это законы? Ведь это сплошная случайность, какая-то анархия природы!
Нет, это все-таки вполне надежные законы, но законы вероятностные. Принципиально не располагая точными начальными условиями, квантовая механика знает и учитывает своеобразие их неточности. Эту возможность ведь и открывает соотношение неопределенностей. А дальше следуют вычисления возможных путей процесса. Одни оказываются более вероятными, другие — менее вероятными, третьи—вообще практически запрещенными.
Такой метод приложим, в частности, и к «стрельбе» электронами. Квантово-механическим расчетом можно предсказать, куда частица попадет с определенной вероятностью. И если электронов очень много (а так всегда и бывает), то удается весьма точно предвидеть, как они распределятся по цели при «стрельбе».
И вот что интересно: квантовомеханические вероятности весьма мало похожи на те, с которыми мы встречаемся в обыденной жизни, — скажем, при учете случайных ошибок в стрельбе по мишени.
Вот характерный пример.
Послав пулеметную очередь в маленькое окно (отвесно к стене), мы убеждены, что пули с самой большой вероятностью попадут в противоположную стену как раз против окна. С меньшей вероятностью они окажутся чуть-чуть рядом и т. д.
А как поведут себя не пули, а электроны, пущенные отвесным пучком в подобное окно (разумеется, достаточно маленькое)?
Электроны распределятся по противоположной стене на первый взгляд совершенно непонятным образом — концентрическими кругами! Правда, скорее всего, они, как и пули, ударятся о стенку точно против окна. Но немного подальше от центрального пятна появится кольцо, в котором не будет ни одного электрона. Зато потом следует резкое увеличение вероятности попадания, затем снова провал ее, опять подъем, опять провал и т. д. Получится картина, которую физики называют кольцами электронной дифракции. Подобным способом проходят через узкие отверстия и электроны, и протоны, и нейтроны, и фотоны—все «граждане» микромира.
Меняя энергию частиц в пучке, мы изменяем размещение кругов. Чем выше энергия, тем круги резче и компактнее собраны; при малой же энергии они как бы разъезжаются и размазываются.
Изучив картину «простреленной» микрочастицами мишени, мы заметим одно удивительное сходство: оказывается, подобными же концентрическими кругами распространяются, пройдя через маленькую дырочку, обыкновенные упругие волны — например, ультразвуковые. Но с волнами положение ясное. За дырочкой они в разных местах то гасят друг друга, то складываются и усиливаются — создают так называемую дифракционную картину.