Принцип неопределенности

Принцип неопределенности

До сих пор мы предполагали, что законы сохранения выполняются строго. Мы не сомневались в этом, ибо могли доказать, что если, скажем, энергия или импульс возникли или исчезли даже в очень малых количествах, имели место явления, которые в действительности не наблюдались. Допустим, вы не удовлетворены простым утверждением, что законы сохранения должны выполняться точно, и пытаетесь проделать измерения, чтобы доказать это утверждение. Однако при измерении любого свойства системы вы вынуждены связать себя с системой. Следовательно, вы неизбежно как-то воздействуете на нее; а это, в свою очередь, искажает измерения.

Что происходит, например, при измерении температуры горячей воды? Обычно эту температуру измеряют, помещая в чашку термометр. Термометр нагревается до температуры воды, которую определяют по высоте ртутного столбика. Однако при нагревании термометр отбирает тепло у воды, которая слегка охлаждается, поэтому измеренная температура не равна температуре воды до погружения в нее термометра.

Аналогичный пример — измерение давления воздуха внутри автомобильной шины. Небольшой измерительный прибор вводится в клапан, и воздух выталкивает внутренний цилиндр прибора. Давление измеряют по степени выталкивания цилиндра. Но при этом некоторая часть воздуха выходит из шины, и измеренное давление не равно в точности давлению внутри шины перед измерением Подобная неточность возникает при любом измерении. Поэтому метод измерения выбирают обычно достаточно точный, чтобы избежать заметного изменения измеряемых величин.

А можно ли вообще настолько улучшить технику измерения, чтобы абсолютно точно определить измеряемое свойство системы? Естественно, этому мешает несовершенство приборов и человеческих органов чувств. Но, предположим, нас интересует принципиальная постановка вопроса при условии, что существуют абсолютно точные приборы и совершенные органы чувств. Можно ли тогда получить совершенно точные значения? В этом случае используемые приборы должны быть очень чувствительными и очень маленькими по сравнению с системой, свойства которой измеряются. Так, крошечный термометр будет поглощать очень мало тепла, а крошечный манометр будет терять очень мало воздуха. Чем меньше измерительный прибор, тем меньше он влияет на измерение, тем точнее измерение.

Предельно точное измерение получится при предельно маленьком измерительном приборе. Если такого прибора нет, невозможно и предельно точное измерение.

Конечно, самыми точными мыслимыми приборами являются субатомные частицы, и они, казалось бы, достаточно малы для любой степени точности. Но при переходе в субатомный мир, используя в качестве приборов субатомные частицы, мы сталкиваемся с измерением свойств объектов, которые сами чрезвычайно малы. Следовательно, наши приборы имеют такую же величину, как и объекты измерения, и поэтому, производя точное измерение, мы неизбежно сталкиваемся со значительными трудностями.

Допустим, необходимо измерить импульс электрона, чтобы в итоге выяснить, выполняется ли точно закон сохранения импульса для системы, частью которой он является. С этой целью направим пучок фотонов в направлении движения электрона. Время от времени один из фотонов сталкивается с электроном и отскакивает от него. Зная направление, в котором возвращается отскочивший фотон, и время, за которое он прошел путь туда и обратно, можно определить положение электрона в любой момент времени. Проделав такую операцию несколько раз, мы узнаем его положение в различные моменты времени и из полученных данных рассчитываем его скорость и импульс. Единственная неприятность состоит в том, что фотон имеет, вероятно, такие же размеры, как электрон, и когда он сталкивается с электроном, тот отскакивает. Путь, который проходит электрон под обстрелом фотонов, существенно отличен от пути, который он проходил бы в отсутствие фотонов. Поэтому, хотя положение электрона в различные моменты времени известно с большой точностью, никакого представления о его скорости в отсутствие фотонов нет.

Попытаемся обойти эту трудность, используя фотоны со все меньшей и меньшей энергией, которые настолько слабы, что существенно не изменят движение электрона В этом случае можно было бы надеяться рассчитать и определить точное положение и импульс электрона К сожалению, чем меньше энергия фотона, тем больше длина его волны, а чем больше длина волны, тем реже он отскакивает от электрона. Более вероятно, что вместо этого фотон обогнет электрон и отскочит от него, если это вообще случится, совершенно в другом направлении. В результате, чем точнее определяется импульс, тем труднее становится судить о положении электрона.

В 1927 году Гейзенберг после тщательного анализа установил, что импульс любой частицы можно определить с какой угодно точностью; но чем точнее определяется импульс, тем менее точно известно положение частицы, и наоборот, чем точнее определяется положение частицы, тем менее точно определяется импульс. Гейзенберг показал, что неточность в определении импульса (которая называется «неопределенностью» импульса и обозначается ?р), умноженная на неточность или неопределенность положения (?x), всегда больше некоторой фиксированной величины для любой системы, будь то электрон или Солнце. Он получил соотношение

?р?x ? h/2?,

где знак ? означает «больше или равно», ? (греческая буква «пи») — хорошо известная постоянная, равная приблизительно 3,14159, a h — величина, называемая постоянной Планка. Это уравнение выражает собой принцип неопределенности Гейзенберга.

Постоянная Планка, впервые полученная им в 1900 году, когда он разрабатывал теорию квантов, является очень маленькой величиной (в настоящее время принято считать ее равной 6,6256·10^-27 эрг·сек). Величина h/2? равна почти точно 10^-27 эрг·сек. Следовательно, уравнение принципа неопределенности имеет вид

?р?x ? 10^-27.

Таким образом, теоретический предел точности в действительности очень мал. Теоретически — если бы имелись достаточно маленькие приборы и совершенные органы чувств — можно было бы одновременно определить положение объекта с точностью менее одной триллионной сантиметра, а его импульс — с точностью менее одной триллионной грамм-сантиметра в секунду. Такая точность измерений вполне достаточна (и даже более чем достаточна) в нашей повседневной жизни или даже в обычном микромире, где точность зависит только от нас. Однако в мире атома и субатомных частиц принцип неопределенности принципиально ограничивает точность данных, получаемых нами. В субатомном мире одна триллионная сантиметра — значительная величина, и, если электрон локализован с меньшей точностью, его положение фактически неопределенно. Если же его местоположение определено более точно, неопределенность его импульса становится соответственно больше, неточность 10^-18 г·см/сек при определении величины импульса электрона является уже неприемлемо большой.

Когда был впервые сформулирован принцип неопределенности, многих физиков (включая и Альберта Эйнштейна) обеспокоила мысль о том, что имеется неизбежный предел наших знаний о Вселенной. Справедливость принципа неопределенности означает, что природа ведет «нечестную игру». Однако принцип неопределенности оказался очень полезным. Физики-теоретики смогли объяснить, каким образом атомы поглощают и излучают энергию, предположив, что все частицы обладают волновыми свойствами, причем чем легче частица, тем заметней эти свойства. Электрон, являющийся самой легкой частицей, должен особенно отчетливо проявлять волновые свойства, и они на самом деле были обнаружены в 1927 году (в том же году, когда был сформулирован принцип неопределенности). Раз электрон обладает волновыми свойствами, нельзя говорить о его точном положении, словно это крошечный бильярдный шарик, так как он не является таковым. Принцип неопределенности, парадоксальный, если электрон представлять в виде крошечного бильярдного шарика, стал единственной возможностью придать электронной волне какой-то смысл.

Поскольку принцип неопределенности оказался очень важным при детальном исследовании ядерного поля, я поведу свой рассказ в этом направлении, чтобы со временем вернуться к нейтрино.