Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Иногда, когда я вдруг подумаю, что эти страницы попадутся на глаза такому физику-альпинисту, мне становится не по себе. Дровосек… Пушкин… Чудо 26-го года… Лирические воспоминания… Овечье стадо… Короли-алхимики..: Зачем тут все это? Какое внутреннее касательство имеет все это к предмету рассказа?.. Я успокаиваю свою совесть простым соображением: рассказ этот пишется не для покорителей восьмитысячников. Часто я думаю, что такое оправдание недостаточно. Но другого не могу ни найти, ни придумать.

Да и надо ли его искать? Когда нефизику хочется понять новизну современных физических идей и уловить их смысл, как ему быть? Прозрачную ясность недоступной ему математики нечем заменить. Так, может быть, иносказания, далекие параллели, лирические отступления, исторические справки хоть как-нибудь помогут ему понять «возбуждение», черпаемое физиками «из небытия»? Может быть! Если этого нельзя заранее доказать, то, во всяком случае, этого нельзя заранее и опровергнуть.

Мне ничего не остается, как продолжать рассказ прежним способом. Снова: факты, логика и всяческие «путевые заметки».

…Итак, раз уж электрон, как и любой микрокентавр, не может двигаться по траектории, то есть не обладает одновременно и точно определимым местоположением и точно определимой скоростью, а при всем том перемещается в пространстве, значит несомненно одно: его координаты и его скорость страдают неопределенностью. Какой-то неопределенностью!

Какой? Наше величайшее уважение к физике, как науке точной, сразу возбуждает этот вопрос. А еще важнее наше глубокое убеждение, что сама природа всегда и всюду точна. И уж если встречаются в ней неопределенности, так и они должны быть определенными! «От» и «до»… В самом деле, нельзя примириться с мыслью, что все электроны в любых обстоятельствах пребывают «где угодно» и движутся «как угодно»: тогда полная бесформенность была бы уделом природы. Какие-то законы должны же управлять и самими неопределенностями в положении электрона и в значении его скорости. Вот только годятся ли тут твердые границы — «от» и «до»?

Наверное, не годятся.

Источник обеих неопределенностей — все ют же источник всех наших неклассических бед: волнообразность электрона. Будь он только частицей, ничто не мешало бы ему двигаться по строгой траектории, и никаких неопределенностей не было бы. Но попросить электрон «быть только частицей» и «не быть волной» нельзя. И потому эти неопределенности не могут исчезнуть — стать нулевыми, так, чтобы и в значении координаты и в значении скорости частицы-волны одновременно воцарялась полная классическая определенность.

Чувствуете ли вы, как это необычно и какою важностью здесь обладает именно слово «одновременно»? Это легко оценить на макропримере.

Перенесемся в годы войны. Однажды штаб истребителей на Балтике принял только обрывок радиосообщения: «…Эскадрилья противника проходит сейчас над Гельголандом». А через пятнадцать минут — обрывок новой информации: «…Противник идет сейчас курсом норд-ост, скорость 300». Надо было поднимать истребителей в воздух, но как можно было поставить им точную задачу? В обоих сообщениях «сейчас» относилось к разным моментам вражеского рейда. Когда были засечены координаты, осталось неизвестным — куда и как быстро летит эскадрилья. Когда стали известны курс и быстрота полета, осталось тайной, где эскадрилья находилась при этом. Сначала неопределенность в скорости, потом неопределенность в координатах. И в результате — полная неясность. Если бы не сплоховала связь, обе неопределенности могли исчезнуть одновременно, как это и бывало обычно, и тогда не случилось бы беды.

А в микромире эти две неопределенности никогда не исчезают одновременно! И никакая аккуратность в приеме информации из глубин материи тут не может помочь. Другими словами, квантовая механика вопреки всему опыту точных наук заставила физиков отказаться от надежды на одновременное сколь угодно точное измерение двух важнейших величин, без знания которых, казалось бы, нельзя и помышлять об описании движения и взаимодействия микрочастиц.

Вот как обернулось дело! Но не думайте, что оно обернулось бессилием атомной науки. Впрочем, такая мысль вряд ли придет кому-нибудь в голову. В наше время никто еще не доказал с такою громкой убедительностью, как физики-атомники, точности своих научных предвидений. Их проницательность — и обнадеживающая и устрашающая — позволила даже самый наш век назвать атомным. Так, значит, невозможность победить неопределенности в микромире не смогла помешать их успехам? Нет, не смогла. Это понятое бессилие стало их силой…

Но уверились ли мы сполна, что одновременная победа над обеими неопределенностями действительно оказалась немыслимой? Это так важно, что тут не должно остаться никаких сомнений и никаких иллюзий, какие подсказывает наш «большой опыт». Да и только ли большой? Ведь сумел же очень коротковолновый фотон застигнуть электрон в определенной точке, и сверхмикроскоп эту точку нам показал! Стало быть, уж одну-то из двух величин — координату электрона — можно в принципе измерить с любой точностью, не правда ли? Что же мешает одновременно измерить с такой же точностью и скорость электрона? Сомнение основательно. Как его развеять?

Надо повторить съемку под сверхмикроскопом. Надо посмотреть, какой ценой стали бы добиваться физики предельной — абсолютной — точности в измерении координаты электрона. То, что им пришлось бы делать, напоминает одну очень понятную обыденную процедуру, знакомую всем, кто прошел войну, или бывал в далеких экспедициях, или, наконец, просто в туристских походах.

…Помню 49-й год. Верховья притока Ангары. Ни дорог, ни селений. Геолог распластывает на коленях карту-миллионку, говорит коллектору: «Я буду ждать тебя здесь», берет карандаш, хочет поставить точку на излучине реки, но с досадой замечает — обломался грифель. «Заточи поострее», — » говорит он коллектору. И вздыхает: по этой грубой карте миллионного масштаба трудно ориентироваться, в одном сантиметре — десять километров реальной земли. Точка от тупого карандаша — миллиметра полтора в диаметре, это полтора километра тайги. Хороша точность! «Готово?» — спрашивает он коллектора. И вот появляется на карте волосяной толщины отметка, так остер карандаш. «Теперь все в порядке!» — говорит неопытный коллектор. Геолог ворчит: «Ну, это мы посмотрим». Он — знает, что они условились о встрече только с точностью до ширины волоса, а это все равно — метров сто прибрежных зарослей. Да и самой карте он не очень верит. «Посмотрим…»

Карта в своем масштабе уменьшает реальное, микроскоп в своем масштабе увеличивает, но суть та же. Острый рентгеновский луч накалывает электрон на карте атома. Он делает это с точностью громадной, однако не большей, чем «ширина его острия». А эта ширина зависит от длины волны фотона. Несколько огрубляя дело, можно даже сказать, что луч ставит на месте встречи с электроном точку такой же протяженности, как длина его волны. С такой точностью физик и узнает местоположение электрона в атоме — заветную координату. А воображаемый сверхмикроскоп, как реальная Земля после карты, воочию показывает, велика ли была наколотая фотоном точка.