Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Это-то и подвело классическую однозначную причинность, когда она попыталась распространить свой деспотизм и на микромир, где волновыми свойствами частиц уже нельзя было пренебрегать безнаказанно.

…Согласно старым «точным» законам альфа-распад радиоактивных ядер, скажем, урана, был бы совершенно невозможен. Неважно, как внутри тяжелого уранового ядра образуется легкое ядро гелия — альфа-частица. Важно, что эта альфа-частица удерживается в урановом ядре огромными силами ядерного притяжения. Они гораздо могущественней сил электрического отталкивания, которые стараются выставить альфа-частицу наружу. Ядро как бы окружено барьером — физики называют его «потенциальным». Прорваться через него трудно — он высок. Для этого нужна большая энергия движения. Изучая альфа-распад, физики убедились, однако, в необычайной ситуации: энергия вырвавшихся на свободу частиц оказалась намного ниже высоты потенциального барьера. Как же альфа-частицам удается совершать невозможное? По строжайшим предписаниям классических законов любая альфа-частица была бы обречена только колебаться в пределах ядра, без малейшей перспективы покинуть его, пока, быть может, из какого-нибудь внешнего источника к ней не притекла бы нужная энергия. Между тем ядра урана распадаются самопроизвольно!

Квантовая механика объяснила необъяснимое. На основании принципа неопределенности она показала, что у альфа-частицы всегда есть возможность как бы нечаянно оказаться и по ту сторону барьера. Только вероятность этого классически-незаконного события. очень мала. Так мала, что средняя продолжительность жизни уранового ядра — благополучной жизни до альфа-распада — измеряется непредставимо громадным промежутком времени: примерно 6,5 миллиарда лет. (Оттого-то, хотя в залежах урановых руд нет-нет да и распадаются то тот, то другой атом, эти руды не исчезли в земной коре. Возраст Земли, по современным оценкам геологов, 4–5 миллиардов лет. Это все-таки короче средней продолжительности жизни урана.)

Проникновение альфа-частицы за потенциальный барьер было названо «просачиванием», а все это странное явление физики стали называть «тоннельным эффектом»: частица не преодолевает барьера поверху, так как ее энергия для этого слишком мала, а как бы прорывает тоннель из ядра на волю.

В этих образных выражениях — просачивание и тоннель — слышится вечная тоска физиков по наглядным представлениям. Так и хочется вообразить себе альфа-крота, который затрачивает в среднем шесть с половиной миллиардов лет на прорытие тоннельного хода в гористом барьере, окружающем урановое ядро. Нас должно утешать, что эти образы придумывают сами высоколобые теоретики.

Вы еще не забыли свидетельства Ландау, что сознание физиков работает ныне в таких сферах, где воображение уже не может оказать им никаких услуг? Однако видите: все-таки они прибегают к его услугам. Математической мысли теоретиков; так же как и нашей более скромной мысли, не очень уютно живется среди одних только непредставимых отвлеченностей. Стоит еще раз вспомнить, как Эйнштейн в письме к де Бройлю говорил о «гадких квантах». Может быть, поэтому теоретики время от времени и привлекают себе на помощь поэзию: она возвращает их заоблачную мысль в наш земной классически-причинный мир, где действительно надо шаг за шагом прорывать тоннель, чтобы выбраться на ту сторону горы. Им, как и нам, образы помогают яснее понять непонятное. Но мы, как и они, должны отдавать себе отчет, что эти образы — только образы! Млечный Путь не сделан из молока, и он не путь, а альфа-частица не роет на протяжении миллиардов лет никакого тоннеля.

Эти миллиарды лет средней продолжительности спокойной жизни уранового ядра говорят лишь о том, какая редкость альфа-распад, — как редко из всех возможностей движения альфа-частицы осуществляются те, что выводят ее за пределы барьера ядерных сил.

Однако хоть и редко, но осуществляются!

Между «редко» и «никогда» — гигантская разница.

Классическая причинность говорила альфа-распаду — «никогда!». Как и для всего на свете, она не допускала для альфа-частицы обилия возможностей, а признавала законной только одну «ту, которая обладает стопроцентной вероятностью осуществления: в самом деле, если бы энергия альфа-частицы заранее превышала величину барьера, она, конечно, немедленно покинула бы ядро. Такой альфа-распад классическая причинность милостиво разрешила бы. Да только ядра урана в этом разрешении уже не нуждались бы: их просто не существовало бы на свете — Они распались бы сразу.

Стопроцентная вероятность — это полная достоверность события. Вот идол, которому поклоняется классическая причинность. А природа этому идолу вовсе не поклоняется. И квантовая механика оказалась физически гораздо более точной наукой, чем ее предшественница. Настолько точной, что, например, в теории альфа-распада она безукоризненно правильно связала энергию вылетающих альфа-частиц со средним временем жизни радиоактивных элементов. И эта энергия и это среднее время (рыли измерены на опыте задолго до появления квантовой механики. Но смысл таблиц, которые составлялись учеными, и смысл кривых, которые они чертили в своих лабораториях, оставались загадочными, пока вероятностные законы микромеханики не раскрыли этих загадок.

Может показаться непонятным — откуда берется какая бы то ни была точность предсказаний там, где господствует случай? И вправду: когда ожидаемое событие не единственно возможное, когда оно не обладает стопроцентной вероятностью, оно ведь может наступить, а может и не наступить!

Если бы экспериментатор умудрился проследить за излучением какого-нибудь одного возбужденного атома натрия, он вовсе не обязательно стал бы свидетелем испускания «желтого кванта». Могла бы на его глазах осуществиться и другая возможность, поскольку излучение иных порций энергии здесь тоже имеет свою вероятность: разрешенных уровней энергии много, и возможны разные квантовые скачки с уровня на уровень. Лишь одно достоверно — какой-то из возможных для натрия квантов был бы испущен. Но теоретик не взялся бы утверждать, какой именно квант будет излучен этим атомом в этом опыте. Так где же тут математическая точность предсказания?

Ее действительно нет. Но в том, что ее нет, есть высшая физическая точность. Есть точность отражения того, что происходит в природе, а не на бумаге. Это подтверждается опытом: мы же видели, как электроны, падая в одинаковых условиях через одну и ту же узкую щель в экране, приземляются не в одном и том же месте, а в разных местах фотопластинки. Факт непостижимый с точки зрения классической причинности» но тем не менее факт! Уж не царит ли в микромире произвол?