Известный физик-теоретик Ричард Фейнман как-то заметил, что хотя квантовая механика существует уже более полувека, ее до сих пор не понимает ни один человек в мире. И тут же добавил: он может утверждать это вполне смело.
С первого взгляда это кажется просто невероятным! Как же так? Ведь с помощью квантовых законов рассчитываются тончайшие явления микромира и выводы подтверждаются опытом с огромной точностью, иногда до миллиардных долей процента!
Более того, квантовая механика уже давно используется на практике – например, лазер был изобретен, рассчитан и создан на основе квантовых законов. Эти законы управляют работой электронных микроскопов, используются при проектировании многих полупроводниковых приборов, с их помощью объясняют явление сверхпроводимости. Квантовая механика нашла применение в химии и даже биологии. Как же можно говорить, что никто ее не понимает?!
И тем не менее, как мы увидим далее, в утверждении Фейнмана есть большая доля истины.
Здравый смысл и микрочастицы
В нашей повседневной жизни мы привыкли к тому, что все тела движутся по строго определенным траекториям. Если известна начальная скорость тела и действующая на него сила, то с помощью законов Ньютона можно точно сказать, что это за траектория. Подобную задачу каждый из нас много раз решал в школе. Точность законов Ньютона очень высока, с их помощью можно, например, предсказать движение небесных тел на многие десятки и сотни лет вперед. Но вот если попытаться применить эти законы к движению микрочастиц, то придем к поразительному выводу: частицу можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути! Получается так, как будто частица движется сразу по всем траекториям, либо совершает что-то вроде «броуновской пляски» в абсолютно пустом пространстве, многократно без всякой видимой причины изменяя направление своего движения и мгновенно перемещаясь из одной пространственной точки в другую. Этот вывод трудно согласовать со здравым смыслом, ведь не может же частица сама по себе, по собственной воле метаться по пустому пространству, где на нее абсолютно ничто не действует!
Иногда говорят, что микрочастица движется по траектории, которая размазана по всему пространству. Не знаю, поможет ли это читателю более наглядно представить себе движение микрообъектов... Как бы там ни было, но с точки зрения законов Ньютона, да и просто с позиций здравого смысла, это движение совершенно не предсказуемо.
Все это выглядит так, как если бы в микропроцессах была нарушена связь между причиной и следствием, и, исходя из одних и тех же начальных условий, можно было бы прийти к совершенно разным результатам. Так сказать, «распалась связь времен». Лишь в случае очень массивных, тяжелых частиц с большой инерцией их движение начинает постепенно «стягиваться» к ньютоновской траектории, и будущее снова становится однозначным следствием прошлого.
Однако это еще не самая главная трудность, с которой мы встречаемся в микромире. В принципе здесь еще можно было бы рассчитывать на какое-то очень сложное обобщение уравнения Ньютона, с помощью которого, может быть, кому-то все-таки удастся выделить и шаг за шагом проследить витиевато запутанную траекторию частицы. Более удивителен и непонятен следующий факт. Представим себе, что электрон попадает на поглощающий экран, в котором проделаны два отверстия. Электрон пройдет через одно из этих отверстий и оставит точечный след на фотопластинке за экраном.
Повторяя многократно этот опыт, мы должны получить на фотопластинке наложение картин от электронов, прошедших через одно отверстие, и электронов, «воспользовавшихся» вторым отверстием. Казалось бы, это – единственно возможный результат, другого и быть не может. Так вот, ничего подобного! На пластинке получается отчетливая интерференционная картина – как от столкновения двух волн на воде. Но ведь электроны направлялись на экран по очереди, один за другим, так что сквозь экран каждый раз проходил только один электрон, поэтому столкнуться и интерферировать он мог лишь... сам с собой. Другими словами, он каким-то образом должен стать «одним в двух лицах» и ухитриться пройти сразу сквозь два далеко отстоящих друг от друга отверстия.
Невероятный вывод! Может быть, электрон распадается на какие-то куски? Но тогда, закрыв одно из отверстий, можно было бы «поймать» кусочек электрона, который прошел сквозь оставшееся отверстие. Опыт показал, что никаких кусков от электрона не откалывается и сквозь отверстие каждый раз проходит вполне нормальный, совершенно целый электрон.
Этот результат кажется просто невозможным, противоречащим самой элементарной логике, – все равно что войти в зал с двумя дверями и столкнуться лбом с самим собой! И тем не менее никакого другого объяснения наблюдаемому ходу событий с точки зрения ньютоновской механики дать нельзя: точно известно, что электрон прошел через одно отверстие, а фотопластинка говорит, что он раздваивался. Как будто мы имеем дело с электроном и с его двойником-призраком!
Необъяснимое, «противоестественное» поведение микрочастиц многими физиками воспринималось как конец их науки, которая, казалось им, добралась до исходного, «первозданного микрохаоса», «праматерии», где уже нет никаких законов. Знаменитый голландский физик Лоренц в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне все еще представлялось ясным». Положение казалось безнадежно запутанным. Было от чего прийти в отчаяние.
Как шутили в то время физики, по четным дням недели им приходилось пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечетным – доказывать, что эти уравнения неверны.
Сфинксы микромира
Теоретическая путаница возникала и при попытках понять природу света. Что это – частица или волна – еще триста лет назад ожесточенно спорили Ньютон и Гук. Фольклорное эхо донесло до наших дней немало пикантных подробностей словесных баталий, то и дело выходивших далеко за рамки научных дискуссий. Говорят, что после одного из споров, в котором темпераментный и не стеснявшийся в выборе выражений Роберт Гук превзошел самого себя в язвительной критике ньютоновской теории световых частиц и ее автора, последний решил вообще не публиковать своих трудов по оптике, пока будет жив Гук. Но главной причиной была, конечно, не полемическая страстность дет и необузданный характер Гука, а сила приводимых им фактов. Только с помощью волновых представлений можно было объяснить, почему на прибавление света к свету может не только увеличить, но и уменьшить освещенность, порождая сложные интерференционные картины, или почему, например, свет огибает мелкие препятствия и на краях тени всегда есть заметная полутень.
В течение трех веков физики были убеждены, что свет – это волновое движение какой-то сверхтонкой, заполняющей все пространство материи. Однако, начиная с конца прошлого века, стали быстро накапливаться факты, для объяснения которых пришлось допустить, что свет – это поток отдельных, не связанных между собой частиц. Сталкиваясь с электронами атомов вещества, эти частицы – их стали называть фотонами – рассеиваются подобно бильярдным шарикам. В тех случаях, когда их энергии он недостаточно для полного отрыва электрона от атома, электрон переходит на большую орбиту – атом возбуждается. Но вот что удивительно: во всех этих процессах энергия световой частицы каждый раз оказывается обратно и пропорциональной длине световой волны, то не есть определяется каким-то непонятным коллективным эффектом. Фотон хотя и не связан с другими фотонами, но все же как-то «чувствует» их присутствие, и все вместе они составляют световую волну. Получается так, как будто фотон несет гребень какой-то таинственной нематериальной волны. И чем больше энергия фотона, тем короче волна.
Это очень похоже на то, как поток электронов проходит сквозь щели в экране. Каждый электрон тоже ведь пролетает сквозь какую-то одну щель, и здесь он также как будто знает о своих собратьях, которые взаимодействуют с экраном до и после него, и располагается на фотопластинке так, чтобы в целом получилась единая интерференционная, волновая картина.
Французского физика Луи де Бройля аналогия в поведении электронов и частиц световой волны навела на мысль о том, что любой микрочастице, независимо от ее природы, сопутствует некая «волна материи». Подобно мифическому сфинксу, полульву-получеловеку, микрочастица, по мнению де Бройля, тоже объединяет в себе, казалось бы, несовместимое – волну и корпускулу. Де Бройль предположил, что не только у фотона, но и во всех других случаях длина «волны материи» обратно пропорциональна энергии связанных с нею частиц. И хотя физическая природа этих волн (их стали называть дебройлевскими) оставалась загадочной, они хорошо описывали сложные интерференционные узоры в опытах с электронами, а позднее и с более тяжелыми частицами – протонами и даже молекулами. Перед физиками встала интригующая задача – понять и объяснить происхождение удивительных волн.
Интересно, что первым, еще в конце прошлого века, идею о волнах материи высказал русский ученый Б.Б. Голицын. И это была не просто гениальная догадка, свой вывод Голицын основывал на анализе опытов с фотоэффектом, которые три десятилетия спустя использовал и Луи де Бройль. Однако в конце XIX века была еще слишком велика вера в классическую физику, и идея о волнах материи выглядела фантастической. Против такой идеи резко выступил известный московский физик А.Г. Столетов – тот самый, опыты которого по фотоэффекту в последующем явились одним из краеугольных камней квантовой теории. Это могли им выглядеть историческим курьезом, но для Столетова все обернулось трагедией.
Дело в том, что Б.Б. Голицын был не только талантливым физиком, но обладал еще и княжеским титулом, что в дореволюционной России, понятно, было очень важным обстоятельством. У Столетова стали возникать служебные неприятности, а он, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Все больше сил уходило на бесплодную борьбу. Она, к несчастью, закончилась тяжелым сердечным приступом и последовавшей вскоре за этим смертью Столетова, а замечательная идея Голицына, увы, была «похоронена заживо» и не оказала никакого влияния на последующее развитие физики. Де Бройль ничего не знал об этой идее.
Волны вероятности
Дебройлевские волны позволили объяснить многие явления, происходящие в мире атомов и молекул. Вскоре выяснилось, что хотя эти волны и называют «волнами материи», материального в них мало. Они описывают распределение не материи, а вероятности – вероятности обнаружить частицу в той или иной точке пространства. Отдельно взятый электрон может находиться в любой точке пространства, у него нет определенной траектории. Но вот если опыт повторить много раз, то выявится статистическая, усредненная картина движения электрона. Оказывается, что в некоторых участках пространства он в среднем бывает чаще, чем в других. Интенсивность дебройлевской волны как раз и характеризует относительную частоту пребывания электрона в различных точках.
То же самое для фотонов. Эти частицы появляются чаще там, где больше интенсивность их дебройлевской волны. В этих местах наибольшая освещенность и наибольшая амплитуда световой волны.
С точки зрения законов Ньютона, мир, образно говоря, похож на четко вычерченную сеть железных дорог, по которым строго в соответствии с расписанием движутся поезда-частицы. В квантовой физике эта картина размывается, становится нечеткой, расплывчатой, как будто мы разглядываем ее в плохо сфокусированный бинокль.
Физики пока не могут дать однозначного ответа на вопрос о том, что «размазывает» движение микрочастицы, делает его вероятностным. Можно думать, что это происходит из-за взаимодействия микрочастицы с окружающей ее обстановкой. Ведь частица никогда не бывает полностью изолированной, она постоянно испытывает случайные возмущающие воздействия неисчислимого количества других микрообъектов – атомов и молекул, из которых состоят все окружающие макротела, частиц и античастиц, образующихся при спонтанных всплесках полей в близлежащем пространстве. Все это вибрирует, обменивается импульсами, распадается и опять объединяется в новых комбинациях. Возможно, есть и другие, какие-то более глубокие причины, которые еще только предстоит открыть. Пока здесь много различных догадок и мнений, вопрос очень дискуссионный.
Однако каковы бы ни были причины «вероятностной размазки» микроявлений, все физики согласны в том, что дебройлевская волна описывает не отдельную частицу саму по себе, а частицу на фоне окружающей ее обстановки. Подобно тому, как о цвете хамелеона можно говорить лишь применительно к определенному фону, так и свойства микрочастицы оказываются связанными с ее окружением. Микрочастица; никогда не демонстрирует сразу всех своих свойств. Часть из них она «показывает» на одном фоне, другую часть – совсем на другом, и никогда – все вместе.
Спрашивать о том, каковы свойства микрочастицы безотносительно к окружающей ее обстановке, так же бессмысленно, как и задавать вопрос о скорости тела до выбора системы координат.
Удивительный, фантастический микромир... Здесь все не так, как в макромире! Если измерим координату частицы, то совершенно неопределенной становится ее скорость – частица из данной точки может двигаться в любом направлении. Если определена скорость, то, наоборот, неизвестной становится координата и частицу с равной вероятностью можно обнаружить в любой точке пространства. Представления, почерпнутые из повседневной практики, здесь просто отказываются нам служить.
Для того чтобы рассказать о движении макроскопического тела, вполне достаточно двух величин – нужно знать координату и скорость. Для описания движения микрочастицы необходимо знать дебройлевскую волну вероятности во всех точках пространства, то есть сразу бесконечное число величин. Информационная емкость объектов микромира несравненно больше, чем у макроскопических тел. В этом-то и состоит причина того, почему с помощью понятий ньютоновской физики нельзя дать полного описания поведения микрочастицы. Этих понятии просто недостаточно, с их помощью можно передать лишь отдельные проекции, срезы того, что происходит в микромире. Именно поэтому квантовая механика так трудна для понимания. По глубоко укоренившейся в нас привычке мы все время пытаемся найти ей макроскопическое объяснение, а это все равно, что пытаться с помощью плоских фигур рассказать о форме и строении многомерных тел.
Но, может быть, все дело в том, что современная квантовая механика – это только временный теоретический полуфабрикат, из которого далее возникнет настоящая, «очищенная» теория, описывающая микрообъекты такими, какие они есть сами по себе, без размазывающего воздействия окружающей обстановки?
И вот здесь мы подходим, пожалуй, к самому «темному» и спорному месту квантовой теории.
Принципиальные вопросы
Для того чтобы подчеркнуть объективность, независимость от наших субъективных точек зрения какого-либо утверждения, мы часто говорим, что это – экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, фрагмент не зависящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты – упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», не зависящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его «проекциями» на наши органы чувств и их «естественные продолжения» – физические приборы. При этом мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем.
Мир не существует в том виде, как он воспринимается нашими органами чувств. Картину мира мы воссоздаем с помощью мышления, и этот процесс зависит от того, какими знаниями уже «заряжено» наше сознание. Если оно достаточно не подготовлено, мы можем вообще не замечать некоторых фактов, они для нас как бы не существуют. Например, если бы человек каменного века увидел надпись на скале, он едва ли придал бы ей какое-либо значение, для него это были бы всего только какие-то случайные подтеки и пятна, которые просто скользнули бы мимо его сознания.
Только постепенно, по мере накопления и корректировки знаний, возникает все более точная и все менее и менее зависящая от нас картина внешнего мира. И физика Ньютона подтверждала возможность такого постепенного «испарения» субъективного элемента из наших знаний о природе. Казалось очевидным, что, совершенствуя приборы, их возмущающее влияние можно сделать как угодно малым и в пределе изучать явления «в чистом виде», без всякого влияния наблюдателя. Физики были уверены, что трудности на этом пути лишь технические, а не принципиальные.
Но вот в квантовой механике все оказалось совсем по-другому. Каким бы «деликатным» и «тонким» ни был прибор, он все равно не может одновременно определить координату и скорость микрочастицы. Для измерения этих а величин нужны разные приборы, более того – совсем разные эксперименты. Ведь чем точнее измеряется одна из этих величин, тем более те «размазанной» становится вторая, и как бы мы ни старались, измерить координату и скорость у одной и той же микрочастицы нам не удастся. В одних условиях проявляется координата частицы, в других – скорость. А раз так, то и представление о независимом внешнем мире, казалось бы, теряет всякий смысл – какая же это независимость, если о микрообъекте как таковом безотносительно к условиям наблюдения ничего нельзя сказать!
Но тогда и макромир нельзя считать существующим независимо от наблюдателя, ведь в его основе лежат микропроцессы.
Выводы получаются настолько поразительными, что невольно возникает подозрение: что-то здесь не так. Попытаемся разобраться, в чем же тут дело.
В предыдущем разделе речь шла о неразрывной связи микрочастицы с окружающей ее и обстановкой. Такой вывод получается из анализа огромного количества экспериментов. Нет ни одного опыта, который бы ему противоречил. Но отсюда вовсе не следует, что явления природы существуют только в виде «сплава» с и условиями их наблюдения. К такому выводу мы приходим лишь в том случае, когда очень широкое понятие «окружающая обстановка» заменяется частными, узкими понятиями «прибор», «условия наблюдения».
Окружение частицы может быть совершенно не зависящим от наблюдателя, – например, во времена динозавров или еще раньше, когда на Земле вообще не было живых существ. Прибор же обязательно связан с наблюдателем. Это – только часть «окружающей обстановки», которую мы используем для регистрации происшедшего явления. Изучаемое событие играет роль курка, приводящего в действие прибор. Само же оно протекает независимо от того, есть регистрирующий его прибор или нет, включен он или выключен.
Таким образом, квантовая механика не запрещает ставить вопросы о свойствах «мира самого по себе», безотносительно к условиям его наблюдения. Прибор всегда можно отделить от изучаемого явления. Когда говорят, что мы ничего не можем сказать о мире, не зависящем от наблюдателя, то эти утверждения являются следствием не квантовой механики, а вытекают из философских взглядов высказывающих их ученых.
В японском городе Киото есть знаменитый сад камней. Небольшая песчаная площадка в старинном парке, на которой выложены шестнадцать камней, но выложены так искусно, что как бы ни смотреть, всегда можно увидеть только пятнадцать из них. С каждой новой точки зрения – свой пейзаж. Однако ограниченность отдельных «проекций» не мешает составить точное представление обо всей композиции в целом. Воплощенная в камне философская идея о связи реальности и условий ее наблюдения! Так и с квантовой механикой. Свойства микроявлений чрезвычайно сложны и многогранны; то, что показывают приборы, это как бы плоские проекции этих свойств на наши органы чувств. Только мышление, теория позволяют нам воссоздать микропроцесс в его объемной целостности.
Современная физика немыслима без философии. Физические теории буквально пропитаны философскими идеями. И чем сложнее и абстрактнее физические представления, тем более важной становится роль этих идей. Связь физики и философии оказывается настолько тесной, что иногда их просто трудно разделить.
Что находится за кулисами квантовой механики?
Теперь, после того как мы преодолели трудный философский барьер (а он действительно трудный – ему посвящаются целые конференции, и мнения ученых здесь далеко не однозначны), обратимся к вопросу, который остался пока без ответа: можно ли пойти дальше современной квантовой механики и построить «неразмазанную», детальную теорию движения микрочастицы?
Как известно, наряду со многими добродетелями благородный и доблестный герой романов Дюма о трех мушкетерах Портос обладал такой необычайной спесивостью, что не разрешал портным касаться своей особы, и для того чтобы сшить костюм, им приходилось снимать мерки с его отражений в зеркалах. При изучении микромира мы встречаемся с похожей задачей: наблюдая макропроекции того, что происходит в микромире, мы должны создать точный образ микроявления, не зависящий ни от каких «зеркал».
Некоторые ученые считают, что это в принципе невозможно и «костюм» для микромира всегда будет получаться различным в зависимости от того, в каких зеркалах снимались его мерки. Придерживаясь таких взглядов, мы как бы заранее опускаем перед собой шлагбаум: невозможно, и все тут. По мнению других ученых вопрос остается пока открытым, для ответа нужны дальнейшие исследования и прежде всего новые эксперименты.
До сих пор всегда удавалось разделить мир на относительно независимые этажи-уровни. Уровень космических явлений, охватывающий галактики и звездные системы, уровень макроскопических масштабов, к которому мы принадлежим сами, еще более «глубокие» этажи биологических и химических процессов – каждый из них управляется своими особыми законами и каждый можно с хорошей точностью рассматривать независимо от других. «Перемешивание» законов происходит лишь в узких пограничных областях. Однако природа может быть «устроена» таким образом, что микрочастицу, даже в вакууме, нельзя «оторвать» от происходящих вокруг нее процессов, и простое деление на «этажи» становится здесь уже невозможным. Как бы глубоко в недра материи мы ни «спустились», происходящие там явления всегда будут связаны с фоном макроскопических процессов. Таким образом, любая теория «заквантовых явлений», подобно современной квантовой механике, должна рассматривать микрочастицы сквозь призму макроскопических событий, то есть всегда иметь дело с отражением микромира в макроскопических «зеркалах». Иными словами, обойтись без влияния окружающей обстановки, построить «точную» теорию микропроцессов нельзя.
Но может быть и так, что структура приближенно не зависящих друг от друга этажей-уровней имеет свое продолжение также и в микромире. Тогда можно создать «чисто» микроскопическую теорию, которая будет описывать субатомные явления с помощью каких-то сложных математических образов. Для того чтобы понять физический смысл этих образов, потребуется специальная переходная теория-переводчик, которая выразит их на языке уже доступных нам макроскопических представлений. Не исключено, что современная квантовая механика в этом случае представит собой один из вариантов такой переходной теории.
Какая из двух возможностей реализуется – это вопрос к эксперименту. Только он может однозначно сказать, что же происходит на самом деле. Правда, замечательное согласие с опытом предсказаний квантовой теории, краеугольным камнем которой является признание тесной связи микро- и макропроцессов, заставляет большинство физиков склоняться к мысли о том, что такая связь останется в любой будущей теории, то есть к тому, что реализуется первая возможность. Но, кто знает, ведь голосованием научные проблемы не решаются, правым может оказаться и меньшинство. Важно, что сейчас нет принципиальных физических соображений, которые бы запрещали создание – в рамках второго подхода – теории, рассматривающей микропроцессы «в чистом виде», независимо от макроскопического этажа.
Итак, на сегодня квантовая механика – это наука, которая проецирует сложный, «многомерный» мир субатомных явлений на «плоскость» макроскопических образов и понятий. И нет ничего удивительного в том, что квантовые проекции оказываются зависящими от того, под каким «углом» рассматривается микроявление. В настоящее время нет ни одного экспериментального факта, который нельзя было бы объяснить на основе квантовомеханических идей, и в этом смысле квантовая механика – вполне законченная наука. Другое дело – вопрос о том, что лежит в основе ее законов. Энергии электронов в атоме квантовая теория рассчитывает с точностью до миллиардных долей процента, но вот что размазывает орбиты электронов в атоме, каков конкретный механизм этой размазки, – на эти вопросы она ответить не может. Точнее, современная квантовая механика говорит, что эти вопросы просто не имеют смысла, так как у микрочастицы нет траектории. Так уж устроен мир. Но почему он так устроен? Ведь должно же быть какое-то объяснение этому...
Теперь самое время спросить читателя, понимает ли он квантовую механику? Если нет, то не стоит огорчаться, ведь, как утверждает Фейнман, по-настоящему природу ее законов пока не понимает никто. Во всяком случае, до полной ясности здесь еще далеко! Природа неисчерпаема в своих тайнах.
Более того, квантовая механика уже давно используется на практике – например, лазер был изобретен, рассчитан и создан на основе квантовых законов. Эти законы управляют работой электронных микроскопов, используются при проектировании многих полупроводниковых приборов, с их помощью объясняют явление сверхпроводимости. Квантовая механика нашла применение в химии и даже биологии. Как же можно говорить, что никто ее не понимает?!
И тем не менее, как мы увидим далее, в утверждении Фейнмана есть большая доля истины.
Здравый смысл и микрочастицы
В нашей повседневной жизни мы привыкли к тому, что все тела движутся по строго определенным траекториям. Если известна начальная скорость тела и действующая на него сила, то с помощью законов Ньютона можно точно сказать, что это за траектория. Подобную задачу каждый из нас много раз решал в школе. Точность законов Ньютона очень высока, с их помощью можно, например, предсказать движение небесных тел на многие десятки и сотни лет вперед. Но вот если попытаться применить эти законы к движению микрочастиц, то придем к поразительному выводу: частицу можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути! Получается так, как будто частица движется сразу по всем траекториям, либо совершает что-то вроде «броуновской пляски» в абсолютно пустом пространстве, многократно без всякой видимой причины изменяя направление своего движения и мгновенно перемещаясь из одной пространственной точки в другую. Этот вывод трудно согласовать со здравым смыслом, ведь не может же частица сама по себе, по собственной воле метаться по пустому пространству, где на нее абсолютно ничто не действует!
Иногда говорят, что микрочастица движется по траектории, которая размазана по всему пространству. Не знаю, поможет ли это читателю более наглядно представить себе движение микрообъектов... Как бы там ни было, но с точки зрения законов Ньютона, да и просто с позиций здравого смысла, это движение совершенно не предсказуемо.
Все это выглядит так, как если бы в микропроцессах была нарушена связь между причиной и следствием, и, исходя из одних и тех же начальных условий, можно было бы прийти к совершенно разным результатам. Так сказать, «распалась связь времен». Лишь в случае очень массивных, тяжелых частиц с большой инерцией их движение начинает постепенно «стягиваться» к ньютоновской траектории, и будущее снова становится однозначным следствием прошлого.
Однако это еще не самая главная трудность, с которой мы встречаемся в микромире. В принципе здесь еще можно было бы рассчитывать на какое-то очень сложное обобщение уравнения Ньютона, с помощью которого, может быть, кому-то все-таки удастся выделить и шаг за шагом проследить витиевато запутанную траекторию частицы. Более удивителен и непонятен следующий факт. Представим себе, что электрон попадает на поглощающий экран, в котором проделаны два отверстия. Электрон пройдет через одно из этих отверстий и оставит точечный след на фотопластинке за экраном.
Повторяя многократно этот опыт, мы должны получить на фотопластинке наложение картин от электронов, прошедших через одно отверстие, и электронов, «воспользовавшихся» вторым отверстием. Казалось бы, это – единственно возможный результат, другого и быть не может. Так вот, ничего подобного! На пластинке получается отчетливая интерференционная картина – как от столкновения двух волн на воде. Но ведь электроны направлялись на экран по очереди, один за другим, так что сквозь экран каждый раз проходил только один электрон, поэтому столкнуться и интерферировать он мог лишь... сам с собой. Другими словами, он каким-то образом должен стать «одним в двух лицах» и ухитриться пройти сразу сквозь два далеко отстоящих друг от друга отверстия.
Невероятный вывод! Может быть, электрон распадается на какие-то куски? Но тогда, закрыв одно из отверстий, можно было бы «поймать» кусочек электрона, который прошел сквозь оставшееся отверстие. Опыт показал, что никаких кусков от электрона не откалывается и сквозь отверстие каждый раз проходит вполне нормальный, совершенно целый электрон.
Этот результат кажется просто невозможным, противоречащим самой элементарной логике, – все равно что войти в зал с двумя дверями и столкнуться лбом с самим собой! И тем не менее никакого другого объяснения наблюдаемому ходу событий с точки зрения ньютоновской механики дать нельзя: точно известно, что электрон прошел через одно отверстие, а фотопластинка говорит, что он раздваивался. Как будто мы имеем дело с электроном и с его двойником-призраком!
Необъяснимое, «противоестественное» поведение микрочастиц многими физиками воспринималось как конец их науки, которая, казалось им, добралась до исходного, «первозданного микрохаоса», «праматерии», где уже нет никаких законов. Знаменитый голландский физик Лоренц в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне все еще представлялось ясным». Положение казалось безнадежно запутанным. Было от чего прийти в отчаяние.
Как шутили в то время физики, по четным дням недели им приходилось пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечетным – доказывать, что эти уравнения неверны.
Сфинксы микромира
Теоретическая путаница возникала и при попытках понять природу света. Что это – частица или волна – еще триста лет назад ожесточенно спорили Ньютон и Гук. Фольклорное эхо донесло до наших дней немало пикантных подробностей словесных баталий, то и дело выходивших далеко за рамки научных дискуссий. Говорят, что после одного из споров, в котором темпераментный и не стеснявшийся в выборе выражений Роберт Гук превзошел самого себя в язвительной критике ньютоновской теории световых частиц и ее автора, последний решил вообще не публиковать своих трудов по оптике, пока будет жив Гук. Но главной причиной была, конечно, не полемическая страстность дет и необузданный характер Гука, а сила приводимых им фактов. Только с помощью волновых представлений можно было объяснить, почему на прибавление света к свету может не только увеличить, но и уменьшить освещенность, порождая сложные интерференционные картины, или почему, например, свет огибает мелкие препятствия и на краях тени всегда есть заметная полутень.
В течение трех веков физики были убеждены, что свет – это волновое движение какой-то сверхтонкой, заполняющей все пространство материи. Однако, начиная с конца прошлого века, стали быстро накапливаться факты, для объяснения которых пришлось допустить, что свет – это поток отдельных, не связанных между собой частиц. Сталкиваясь с электронами атомов вещества, эти частицы – их стали называть фотонами – рассеиваются подобно бильярдным шарикам. В тех случаях, когда их энергии он недостаточно для полного отрыва электрона от атома, электрон переходит на большую орбиту – атом возбуждается. Но вот что удивительно: во всех этих процессах энергия световой частицы каждый раз оказывается обратно и пропорциональной длине световой волны, то не есть определяется каким-то непонятным коллективным эффектом. Фотон хотя и не связан с другими фотонами, но все же как-то «чувствует» их присутствие, и все вместе они составляют световую волну. Получается так, как будто фотон несет гребень какой-то таинственной нематериальной волны. И чем больше энергия фотона, тем короче волна.
Это очень похоже на то, как поток электронов проходит сквозь щели в экране. Каждый электрон тоже ведь пролетает сквозь какую-то одну щель, и здесь он также как будто знает о своих собратьях, которые взаимодействуют с экраном до и после него, и располагается на фотопластинке так, чтобы в целом получилась единая интерференционная, волновая картина.
Французского физика Луи де Бройля аналогия в поведении электронов и частиц световой волны навела на мысль о том, что любой микрочастице, независимо от ее природы, сопутствует некая «волна материи». Подобно мифическому сфинксу, полульву-получеловеку, микрочастица, по мнению де Бройля, тоже объединяет в себе, казалось бы, несовместимое – волну и корпускулу. Де Бройль предположил, что не только у фотона, но и во всех других случаях длина «волны материи» обратно пропорциональна энергии связанных с нею частиц. И хотя физическая природа этих волн (их стали называть дебройлевскими) оставалась загадочной, они хорошо описывали сложные интерференционные узоры в опытах с электронами, а позднее и с более тяжелыми частицами – протонами и даже молекулами. Перед физиками встала интригующая задача – понять и объяснить происхождение удивительных волн.
Интересно, что первым, еще в конце прошлого века, идею о волнах материи высказал русский ученый Б.Б. Голицын. И это была не просто гениальная догадка, свой вывод Голицын основывал на анализе опытов с фотоэффектом, которые три десятилетия спустя использовал и Луи де Бройль. Однако в конце XIX века была еще слишком велика вера в классическую физику, и идея о волнах материи выглядела фантастической. Против такой идеи резко выступил известный московский физик А.Г. Столетов – тот самый, опыты которого по фотоэффекту в последующем явились одним из краеугольных камней квантовой теории. Это могли им выглядеть историческим курьезом, но для Столетова все обернулось трагедией.
Дело в том, что Б.Б. Голицын был не только талантливым физиком, но обладал еще и княжеским титулом, что в дореволюционной России, понятно, было очень важным обстоятельством. У Столетова стали возникать служебные неприятности, а он, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Все больше сил уходило на бесплодную борьбу. Она, к несчастью, закончилась тяжелым сердечным приступом и последовавшей вскоре за этим смертью Столетова, а замечательная идея Голицына, увы, была «похоронена заживо» и не оказала никакого влияния на последующее развитие физики. Де Бройль ничего не знал об этой идее.
Волны вероятности
Дебройлевские волны позволили объяснить многие явления, происходящие в мире атомов и молекул. Вскоре выяснилось, что хотя эти волны и называют «волнами материи», материального в них мало. Они описывают распределение не материи, а вероятности – вероятности обнаружить частицу в той или иной точке пространства. Отдельно взятый электрон может находиться в любой точке пространства, у него нет определенной траектории. Но вот если опыт повторить много раз, то выявится статистическая, усредненная картина движения электрона. Оказывается, что в некоторых участках пространства он в среднем бывает чаще, чем в других. Интенсивность дебройлевской волны как раз и характеризует относительную частоту пребывания электрона в различных точках.
То же самое для фотонов. Эти частицы появляются чаще там, где больше интенсивность их дебройлевской волны. В этих местах наибольшая освещенность и наибольшая амплитуда световой волны.
С точки зрения законов Ньютона, мир, образно говоря, похож на четко вычерченную сеть железных дорог, по которым строго в соответствии с расписанием движутся поезда-частицы. В квантовой физике эта картина размывается, становится нечеткой, расплывчатой, как будто мы разглядываем ее в плохо сфокусированный бинокль.
Физики пока не могут дать однозначного ответа на вопрос о том, что «размазывает» движение микрочастицы, делает его вероятностным. Можно думать, что это происходит из-за взаимодействия микрочастицы с окружающей ее обстановкой. Ведь частица никогда не бывает полностью изолированной, она постоянно испытывает случайные возмущающие воздействия неисчислимого количества других микрообъектов – атомов и молекул, из которых состоят все окружающие макротела, частиц и античастиц, образующихся при спонтанных всплесках полей в близлежащем пространстве. Все это вибрирует, обменивается импульсами, распадается и опять объединяется в новых комбинациях. Возможно, есть и другие, какие-то более глубокие причины, которые еще только предстоит открыть. Пока здесь много различных догадок и мнений, вопрос очень дискуссионный.
Однако каковы бы ни были причины «вероятностной размазки» микроявлений, все физики согласны в том, что дебройлевская волна описывает не отдельную частицу саму по себе, а частицу на фоне окружающей ее обстановки. Подобно тому, как о цвете хамелеона можно говорить лишь применительно к определенному фону, так и свойства микрочастицы оказываются связанными с ее окружением. Микрочастица; никогда не демонстрирует сразу всех своих свойств. Часть из них она «показывает» на одном фоне, другую часть – совсем на другом, и никогда – все вместе.
Спрашивать о том, каковы свойства микрочастицы безотносительно к окружающей ее обстановке, так же бессмысленно, как и задавать вопрос о скорости тела до выбора системы координат.
Удивительный, фантастический микромир... Здесь все не так, как в макромире! Если измерим координату частицы, то совершенно неопределенной становится ее скорость – частица из данной точки может двигаться в любом направлении. Если определена скорость, то, наоборот, неизвестной становится координата и частицу с равной вероятностью можно обнаружить в любой точке пространства. Представления, почерпнутые из повседневной практики, здесь просто отказываются нам служить.
Для того чтобы рассказать о движении макроскопического тела, вполне достаточно двух величин – нужно знать координату и скорость. Для описания движения микрочастицы необходимо знать дебройлевскую волну вероятности во всех точках пространства, то есть сразу бесконечное число величин. Информационная емкость объектов микромира несравненно больше, чем у макроскопических тел. В этом-то и состоит причина того, почему с помощью понятий ньютоновской физики нельзя дать полного описания поведения микрочастицы. Этих понятии просто недостаточно, с их помощью можно передать лишь отдельные проекции, срезы того, что происходит в микромире. Именно поэтому квантовая механика так трудна для понимания. По глубоко укоренившейся в нас привычке мы все время пытаемся найти ей макроскопическое объяснение, а это все равно, что пытаться с помощью плоских фигур рассказать о форме и строении многомерных тел.
Но, может быть, все дело в том, что современная квантовая механика – это только временный теоретический полуфабрикат, из которого далее возникнет настоящая, «очищенная» теория, описывающая микрообъекты такими, какие они есть сами по себе, без размазывающего воздействия окружающей обстановки?
И вот здесь мы подходим, пожалуй, к самому «темному» и спорному месту квантовой теории.
Принципиальные вопросы
Для того чтобы подчеркнуть объективность, независимость от наших субъективных точек зрения какого-либо утверждения, мы часто говорим, что это – экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, фрагмент не зависящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты – упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», не зависящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его «проекциями» на наши органы чувств и их «естественные продолжения» – физические приборы. При этом мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем.
Мир не существует в том виде, как он воспринимается нашими органами чувств. Картину мира мы воссоздаем с помощью мышления, и этот процесс зависит от того, какими знаниями уже «заряжено» наше сознание. Если оно достаточно не подготовлено, мы можем вообще не замечать некоторых фактов, они для нас как бы не существуют. Например, если бы человек каменного века увидел надпись на скале, он едва ли придал бы ей какое-либо значение, для него это были бы всего только какие-то случайные подтеки и пятна, которые просто скользнули бы мимо его сознания.
Только постепенно, по мере накопления и корректировки знаний, возникает все более точная и все менее и менее зависящая от нас картина внешнего мира. И физика Ньютона подтверждала возможность такого постепенного «испарения» субъективного элемента из наших знаний о природе. Казалось очевидным, что, совершенствуя приборы, их возмущающее влияние можно сделать как угодно малым и в пределе изучать явления «в чистом виде», без всякого влияния наблюдателя. Физики были уверены, что трудности на этом пути лишь технические, а не принципиальные.
Но вот в квантовой механике все оказалось совсем по-другому. Каким бы «деликатным» и «тонким» ни был прибор, он все равно не может одновременно определить координату и скорость микрочастицы. Для измерения этих а величин нужны разные приборы, более того – совсем разные эксперименты. Ведь чем точнее измеряется одна из этих величин, тем более те «размазанной» становится вторая, и как бы мы ни старались, измерить координату и скорость у одной и той же микрочастицы нам не удастся. В одних условиях проявляется координата частицы, в других – скорость. А раз так, то и представление о независимом внешнем мире, казалось бы, теряет всякий смысл – какая же это независимость, если о микрообъекте как таковом безотносительно к условиям наблюдения ничего нельзя сказать!
Но тогда и макромир нельзя считать существующим независимо от наблюдателя, ведь в его основе лежат микропроцессы.
Выводы получаются настолько поразительными, что невольно возникает подозрение: что-то здесь не так. Попытаемся разобраться, в чем же тут дело.
В предыдущем разделе речь шла о неразрывной связи микрочастицы с окружающей ее и обстановкой. Такой вывод получается из анализа огромного количества экспериментов. Нет ни одного опыта, который бы ему противоречил. Но отсюда вовсе не следует, что явления природы существуют только в виде «сплава» с и условиями их наблюдения. К такому выводу мы приходим лишь в том случае, когда очень широкое понятие «окружающая обстановка» заменяется частными, узкими понятиями «прибор», «условия наблюдения».
Окружение частицы может быть совершенно не зависящим от наблюдателя, – например, во времена динозавров или еще раньше, когда на Земле вообще не было живых существ. Прибор же обязательно связан с наблюдателем. Это – только часть «окружающей обстановки», которую мы используем для регистрации происшедшего явления. Изучаемое событие играет роль курка, приводящего в действие прибор. Само же оно протекает независимо от того, есть регистрирующий его прибор или нет, включен он или выключен.
Таким образом, квантовая механика не запрещает ставить вопросы о свойствах «мира самого по себе», безотносительно к условиям его наблюдения. Прибор всегда можно отделить от изучаемого явления. Когда говорят, что мы ничего не можем сказать о мире, не зависящем от наблюдателя, то эти утверждения являются следствием не квантовой механики, а вытекают из философских взглядов высказывающих их ученых.
В японском городе Киото есть знаменитый сад камней. Небольшая песчаная площадка в старинном парке, на которой выложены шестнадцать камней, но выложены так искусно, что как бы ни смотреть, всегда можно увидеть только пятнадцать из них. С каждой новой точки зрения – свой пейзаж. Однако ограниченность отдельных «проекций» не мешает составить точное представление обо всей композиции в целом. Воплощенная в камне философская идея о связи реальности и условий ее наблюдения! Так и с квантовой механикой. Свойства микроявлений чрезвычайно сложны и многогранны; то, что показывают приборы, это как бы плоские проекции этих свойств на наши органы чувств. Только мышление, теория позволяют нам воссоздать микропроцесс в его объемной целостности.
Современная физика немыслима без философии. Физические теории буквально пропитаны философскими идеями. И чем сложнее и абстрактнее физические представления, тем более важной становится роль этих идей. Связь физики и философии оказывается настолько тесной, что иногда их просто трудно разделить.
Что находится за кулисами квантовой механики?
Теперь, после того как мы преодолели трудный философский барьер (а он действительно трудный – ему посвящаются целые конференции, и мнения ученых здесь далеко не однозначны), обратимся к вопросу, который остался пока без ответа: можно ли пойти дальше современной квантовой механики и построить «неразмазанную», детальную теорию движения микрочастицы?
Как известно, наряду со многими добродетелями благородный и доблестный герой романов Дюма о трех мушкетерах Портос обладал такой необычайной спесивостью, что не разрешал портным касаться своей особы, и для того чтобы сшить костюм, им приходилось снимать мерки с его отражений в зеркалах. При изучении микромира мы встречаемся с похожей задачей: наблюдая макропроекции того, что происходит в микромире, мы должны создать точный образ микроявления, не зависящий ни от каких «зеркал».
Некоторые ученые считают, что это в принципе невозможно и «костюм» для микромира всегда будет получаться различным в зависимости от того, в каких зеркалах снимались его мерки. Придерживаясь таких взглядов, мы как бы заранее опускаем перед собой шлагбаум: невозможно, и все тут. По мнению других ученых вопрос остается пока открытым, для ответа нужны дальнейшие исследования и прежде всего новые эксперименты.
До сих пор всегда удавалось разделить мир на относительно независимые этажи-уровни. Уровень космических явлений, охватывающий галактики и звездные системы, уровень макроскопических масштабов, к которому мы принадлежим сами, еще более «глубокие» этажи биологических и химических процессов – каждый из них управляется своими особыми законами и каждый можно с хорошей точностью рассматривать независимо от других. «Перемешивание» законов происходит лишь в узких пограничных областях. Однако природа может быть «устроена» таким образом, что микрочастицу, даже в вакууме, нельзя «оторвать» от происходящих вокруг нее процессов, и простое деление на «этажи» становится здесь уже невозможным. Как бы глубоко в недра материи мы ни «спустились», происходящие там явления всегда будут связаны с фоном макроскопических процессов. Таким образом, любая теория «заквантовых явлений», подобно современной квантовой механике, должна рассматривать микрочастицы сквозь призму макроскопических событий, то есть всегда иметь дело с отражением микромира в макроскопических «зеркалах». Иными словами, обойтись без влияния окружающей обстановки, построить «точную» теорию микропроцессов нельзя.
Но может быть и так, что структура приближенно не зависящих друг от друга этажей-уровней имеет свое продолжение также и в микромире. Тогда можно создать «чисто» микроскопическую теорию, которая будет описывать субатомные явления с помощью каких-то сложных математических образов. Для того чтобы понять физический смысл этих образов, потребуется специальная переходная теория-переводчик, которая выразит их на языке уже доступных нам макроскопических представлений. Не исключено, что современная квантовая механика в этом случае представит собой один из вариантов такой переходной теории.
Какая из двух возможностей реализуется – это вопрос к эксперименту. Только он может однозначно сказать, что же происходит на самом деле. Правда, замечательное согласие с опытом предсказаний квантовой теории, краеугольным камнем которой является признание тесной связи микро- и макропроцессов, заставляет большинство физиков склоняться к мысли о том, что такая связь останется в любой будущей теории, то есть к тому, что реализуется первая возможность. Но, кто знает, ведь голосованием научные проблемы не решаются, правым может оказаться и меньшинство. Важно, что сейчас нет принципиальных физических соображений, которые бы запрещали создание – в рамках второго подхода – теории, рассматривающей микропроцессы «в чистом виде», независимо от макроскопического этажа.
Итак, на сегодня квантовая механика – это наука, которая проецирует сложный, «многомерный» мир субатомных явлений на «плоскость» макроскопических образов и понятий. И нет ничего удивительного в том, что квантовые проекции оказываются зависящими от того, под каким «углом» рассматривается микроявление. В настоящее время нет ни одного экспериментального факта, который нельзя было бы объяснить на основе квантовомеханических идей, и в этом смысле квантовая механика – вполне законченная наука. Другое дело – вопрос о том, что лежит в основе ее законов. Энергии электронов в атоме квантовая теория рассчитывает с точностью до миллиардных долей процента, но вот что размазывает орбиты электронов в атоме, каков конкретный механизм этой размазки, – на эти вопросы она ответить не может. Точнее, современная квантовая механика говорит, что эти вопросы просто не имеют смысла, так как у микрочастицы нет траектории. Так уж устроен мир. Но почему он так устроен? Ведь должно же быть какое-то объяснение этому...
Теперь самое время спросить читателя, понимает ли он квантовую механику? Если нет, то не стоит огорчаться, ведь, как утверждает Фейнман, по-настоящему природу ее законов пока не понимает никто. Во всяком случае, до полной ясности здесь еще далеко! Природа неисчерпаема в своих тайнах.
Обсуждения Понимание квантовой механики