Леонид Пономарев - По ту сторону кванта

• Название: По ту сторону кванта
• Автор: Леонид Пономарев
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Физика
• Год: 1971

Бытует упорное мнение, что в науке есть факты, которые начинающим с нею знакомиться знать рано, а сообщать искушенным в ней — стыдно. Чаще всего об этом вспоминают, когда пытаются объяснить строение атома. Быть может, поэтому до сих пор не написана книга о квантовой механике достаточно строгая, чтобы не обидеть знатока, достаточно простая, чтобы не отпугнуть новичка, и вместе с тем интересная им обоим.

Эта книга не для знатоков, хотя и они найдут здесь несколько неожиданных фактов. Она для тех, кто заканчивает школу, и для тех, кто пытается посмотреть на мир немного шире, чем позволяет им их специальность — необходимо узкая, чтобы быть продуктивной.

В предлагаемой книге история атома рассказана вполне строго. Но строгость в ней не самоцель: как правило, нам интересны не только сами факты, но и их толкование и обстоятельства, при которых они открыты. Поэтому главное в книге — эволюция идей и понятий атомной физики, образующих единую систему — простую и гармоничную. Именно эта внутренняя красота была побудительной причиной появления книги. Я буду считать свою работу не напрасной, если прочитавший ее почувствует силу логических построений квантовой механики и красоту их неожиданно простых следствий.

---

— Теперь, — сказал профессор, — нам нужно купить слона для путешествия в глубь страны. Не думаю, чтобы кто-нибудь из туземцев согласился ехать с нами, так что погонять слона придется самим. Этому надо научиться вам, мистер Томпкинс. Я буду занят научными наблюдениями, а сэр Ричард — оружием.

Томпкинсу стало немного не по себе, когда он увидел на базаре огромных слонов, одним из которых ему предстояло управлять. Сэр Ричард, хорошо разбиравшийся в слонах, выбрал одного побольше и спросил хозяина, сколько он стоит.

— Храп ханвек о хобот хам. Хагори хо, харахам о Хохохохи, — ответил туземец, сверкая белыми зубами.

— Он просит дорого, — перевел сэр Ричард, — но говорит, что это слон из квантовых джунглей и поэтому он стоит дороже. Берем?

— Конечно, — сказал профессор. — Слоны, которые иногда забредают из квантовых джунглей, гораздо лучше всех других. А для нас это особенно кстати — он будет себя чувствовать там как дома.

Мистер Томпкинс внимательно оглядел слона со всех сторон. Это был прекрасный, крупный экземпляр, но по своему поведению ничем не отличался от слонов, которых он видел в зоопарке. Мистер Томпкинс повернулся к профессору.

— Вы говорите, что это квантовый слон, но с виду он самый обычный и ведет себя совсем не так, как те бильярдные шары из клыков его сородичей. Почему же он не размазывается во всех направлениях?

— Вы очень туго соображаете, — ответил профессор. — Он не размазывается благодаря своей большой массе: я же говорил, что вся неопределенность положения и скорости зависит от массы — чем больше масса, тем меньше неопределенность. Квантовая постоянная здесь, в джунглях, хотя и велика, но не настолько, чтобы сказаться на поведении такого крупного животного. Неопределенность положения квантового слона можно заметить, если очень внимательно вглядеться в его очертания. Посмотрите — поверхность шкуры как будто чуть зыблется. На животных поменьше квантовые эффекты, вероятно, будут сказываться заметнее.

— Хорошо, что мы едем не на лошадях, — заметил мистер Томпкинс. — Иначе никогда нельзя было бы точно сказать, где находится ваша лошадь — под вами или в соседней долине.

Профессор и сэр Ричард забрались в корзины, укрепленные на спине слона, а мистер Томпкинс, в своей новой роли погонщика, — на шею животного, и они двинулись. Дорога до квантовых джунглей должна была занять около часа, и мистер Томпкинс решил еще порасспросить профессора о квантовых явлениях.

— А скажите, пожалуйста, — спросил мистер Томпкинс, — почему так странно ведут себя тела с маленькой массой и каков вообще смысл этой вашей квантовой постоянной, о которой вы все время толкуете?

— О, это нетрудно понять, — ответил профессор. — Странное поведение предметов, которые вы видите в квантовом мире, объясняется просто тем, что вы на них смотрите.

— Что они, стесняются?

— Дело не в том — холодно поправил профессор. — Наблюдая какое-нибудь движение, вы неизбежно его нарушаете. Ведь если вы что-то узнали о движении тела, это значит, что движущееся тело оказало какое-то действие на ваши органы чувств или на приборы, которые вы используете. А так как действие равно противодействию, то отсюда следует, что ваш прибор тоже подействовал на тело — так сказать, «испортил» его движение и сделал его скорость и положение неопределенным.

— Ну да, — сказал мистер Томпкинс, — если бы я ткнул пальцем в тот бильярдный шар, я, конечно, повлиял бы на его движение. Но я просто на него смотрел. Разве это тоже влияет?

— Конечно. В темноте вы шара не увидите, а если зажжете свет, то отраженные от шара лучи, благодаря которым он становится виден, влияют на шар — мы называем это световым давлением — и искажают его движение.

— А если я возьму очень точный и чувствительный прибор, разве я не могу добиться того, чтобы его влияние на движение тела было совсем незаметно?

— Вот так раньше и думали в классической физике, — отвечал профессор, — пока не был открыт квант действия. Тогда стало ясно, что воздействие на любой предмет не может быть меньше определенного предела, который и называется квантовой постоянной и обозначается символом h. В обычном мире квант действия очень мал и имеет значение только для таких легких частиц, как электроны, которые из-за своей крохотной массы чувствительны даже к таким ничтожным воздействиям. А в квантовых джунглях, к которым мы сейчас приближаемся, квант действия очень велик. Это грубый мир, в нем нет места нежностям. Если вы попробуете здесь погладить котенка, то он или ничего не почувствует, или вы сломаете ему шею первым же квантом вашей ласки.

— Очень мило, — заметил мистер Томпкинс задумчиво. — А когда никто не смотрит, я полагаю, тела ведут себя как следует, то есть так, как мы привыкли думать?

— Когда никто не смотрит, — отрезал профессор, — никто не может знать, как они себя ведут, и поэтому ваш вопрос не имеет никакою физического смысла.

— Ну, ну, — воскликнул мистер Томпкинс, — это уже больше похоже на философию!

— Если вам так больше нравится, можете называть это философией, — обиделся профессор, — но на самом деле это фундаментальный принцип современной физики — никогда не говорить о вещах, которых не знаешь. Все современные физические теории основаны на этом принципе, тогда как философы обычно пренебрегают им. Например, знаменитый немецкий философ Кант потратил довольно много времени, размышляя о свойствах «вещей в себе». Физик же признает только те свойства явлений, которые хотя бы в принципе доступны наблюдению. Все современные физики сходятся в этом. Вещи ненаблюдаемые хороши только для праздного ума — их можно навыдумывать сколько угодно, но нет способа проверить их существование или хотя бы использовать. Я бы сказал…

В этот момент раздался ужасный рев, и слон так рванулся, что мистер Томпкинс чуть не упал. Огромная стая тигров напала на слона одновременно со всех сторон. Сэр Ричард схватил ружье и выстрелил, целясь точно между глаз в ближайшего к нему тигра. В следующий момент мистер Томпкинс услышал крепкое охотничье ругательство: пуля прошла насквозь, не причинив тигру никакого вреда.

Сэр Ричард

— Стреляйте еще! — крикнул профессор. — Стреляйте во все стороны, не старайтесь точно целиться. Здесь только один тигр, но он размазан вокруг нашего слона. Наша единственная надежда — гамильтониан!

Профессор тоже схватил ружье, и звуки выстрелов смешались с ревом квантового тигра. Мистеру Томпкинсу показалось, что прошла целая вечность, прежде чем все кончилось. Одна из пуль попала в цель, и, к его большому удивлению, тигр, вдруг оставшийся один, отлетел далеко в сторону, описав дугу в воздухе, и упал мертвым где-то за пальмами.

— А кто такой Гамильтониан? — спросил Томпкинс, когда все успокоились. — Какой-нибудь знаменитый охотник?

— Извините, — ответил профессор, — как вы недогадливы! В пылу битвы я начал пользоваться научным языком. Гамильтониан — это математическое выражение, описывающее квантовое взаимодействие между двумя телами. Я просто хотел сказать, что нужно выпустить как можно больше квантовых пуль — этим мы увеличиваем вероятность взаимодействия между пулей и тигром. Видите ли, в квантовом мире нельзя точно прицелиться и наверняка попасть. Из-за размазывания пули и цели всегда существует лишь вероятность попадания, которая никогда не равна единице. Мы выстрелили раз тридцать, пока попали в тигра, зато пуля ударила его так сильно, что зашвырнула за пальмы. Все это происходит и в нашем мире, но в гораздо меньших масштабах: заметить это можно лишь на таких мелких частицах, как электроны.

Вы, наверное, слышали, что каждый атом состоит из сравнительно тяжелого ядра и большого числа электронов, которые вокруг него вращаются. Вначале думали, что движение электронов вокруг ядер во многом подобно движению планет вокруг Солнца. Более глубокий анализ показал, однако, что для такой крохотной системы обычные представления о движении слишком грубы. Внутри атома важную роль играют взаимодействия того же порядка величины, что и элементарный квант действия, а в этом случае вся картина сильно размазывается. Движение электрона вокруг ядра во многих отношениях подобно движению нашего квантового тигра, окружившего слона со всех сторон.

Пробуждение

— А можно выстрелить по электрону, как мы стреляли в тигра? — спросил мистер Томпкинс.

— О да, конечно, например освещая атом лучом света. И все происходит так же, как с нашим тигром: много квантов света может пройти сквозь место, занимаемое электроном, никак на него не повлияв, пока в конце концов один из них не вступит во взаимодействие с электроном и не выбросит его из атома. На квантовую систему нельзя повлиять чуть-чуть: она или вообще остается нетронутой, или сильно изменяется.