Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Помните, мы условились, что физик взял излучение с длиной волны в одну десятую ангстрема, дабы фотон мог проникнуть внутрь атома водорода. Это определило точность измерения координаты электрона. Но физик мог отточить карандаш еще острее: взять невидимый свет еще более коротковолновой — не рентгеновские, а гамма-лучи или сверхгамма-лучи, такие высокочастотные, какие и технике-то современной пока неизвестны и названия не имеют. (Опыт мысленный — технические трудности не в счет.)

Пусть физик так и поступит. Пусть он решит в тысячу раз точнее измерить координату электрона. Ему понадобится фотон в тысячу раз более коротковолновый. Это будет в тысячу раз более тонкое острие.

Правда, опыт теперь вряд ли пройдет как по маслу. Такой фотон будет очень большой порцией электромагнитной энергии: он будет в тысячу раз массивней прежнего. И если тот был сравним по массе с электроном, то этот будет подобен уже самому ядру водородного атома — протону. Встреча с таким пришельцем уже не явится для атомного электрона «встречей равных». Электрон отскочит от него, как от налетевшей пули. Но изменит ли и пуля свой полет от столкновения с электроном? Ведь совершенно необходимо, чтобы это случилось: иначе физик не узнает, что на пути фотона попался электрон — точка на карте атома просто не будет поставлена.

(Оттого-то гамма-лучи, рождающиеся при ядерных реакциях на ускорителях и при делении урана в атомных реакторах, — это самое опасное излучение: оно пробивается через толщу бетонных стен, почти не отклоняясь, не рассеиваясь, и защита от него — громоздкая техническая задача.)

В общем надеяться, что, наша пуля-фотон, как говорят физики, «рассеется на электроне», дело сомнительное. Но в данном случае — прибор совершенный, и допустим, что экспериментатор сможет заметить даже крайне ничтожное отклонение пули-фотона. Это будет означать, что сверхтонкое острие действительно накололо электрон и дало знать о его местонахождении. Координата будет уточнена не до одной десятой, а до одной десятитысячной ангстрема.

Естественно, что физик захочет делать измерение координаты электрона все точнее и точнеё. Опыты будут становиться все труднее, но мысленно их можно продолжать без конца, все острее затачивая карандаш. Без конца? Да, без конца, потому что конец (недостижим. Недостижима абсолютная точность — нулевое острие!

И впрямь: фотон с нулевой или бесконечно малой длиной электромагнитных волн, как бы упакованных в нем, обладал бы бесконечно большой энергией-массой. Он являл бы собой физическую бессмыслицу. Физик попросту не мог бы «взять» его для опыта. Да к тому же такой фотонище не смог бы «наколоть» электрон: тот ни в малейшей степени не послужил бы для него препятствием. Выпущенный из фантастического источника, этот мифический фотон оказался бы в буквальном смысле слова всепроникающим: ни от чего не отразившись, ни на чем не рассеявшись, сметая по дороге любые преграды, он прошел бы сквозь вселенную, как сквозь пустыню, и затерялся бы в ее безграничности. Надо ли говорить, почему фантастически выглядел бы источник, испустивший такой фотон? В этом источнике какой-то электрический заряд должен был бы совершать колебания с бесконечной частотой, чтобы в пространство отчаливали электромагнитные волны бесконечно малой длины. Но заряд — «кусочек материи», и мельтешить с бесконечной частотой ему запрещают, кроме всего прочего, законы, открытые теорией относительности. Такое мельтешение равносильно движению с бесконечной скоростью, каковой не существует.

Так, попытка достичь абсолютной точности измерений погружает физика в трясину бессмыслиц.

Но вовсе не бессмыслица стремление ко все большей точности. Спросите физика: «Можете вы узнать положение электрона в момент вашего опыта с ошибкой, не большей, чем стомиллиардная ангстрема?» Он ответит: «В принципе — могу». И назовет длину волны или частоту фотона, какой понадобился бы для этой цели. А пожелай вы еще большей точности, он назовет еще большую частоту (или, что то же самое, еще меньшую длину волны).

Правда, все эти цифры физик будет называть действительно только «в принципе». Или, лучше сказать, только для того, чтобы утешить нас, вопрошающих и жаждущих все большей точности. А втайне, про себя, физик будет знать, что на пути к неограниченной точности в измерении положения электрона неизбежно возникнет одно непреодолимое затруднение, о котором теоретикам стало известно далеко не сразу. Здесь об этом можно лишь вскользь упомянуть.

Дело в " том, то фотон — «кусочек материи» — может в подходящих условиях превращаться в другие «кусочки материи». Он может исчезать, порождая пару новых частиц — электрон и позитрон. Для этого надо прежде всего, чтобы энергии (а значит, и массы) у фотона было достаточно для рождения такой пары новых микрокентавров. Образуется именно пара частиц, обязательно — пара: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон, чтобы в сумме заряд обеих частиц был равен нулю, ибо и сам фотон имеет нулевой заряд — он нейтрален. А когда энергии-массы у фотона так много, что может родиться много пар, происходит в подходящих условиях множественное рождение электронов и позитронов. Могучий фотон гибнет, а на его месте появляется целое семейство наследников.

«Накалывание» атомного электрона «острием» сверхкоротковолнового, сверхэнергичного фотона как раз и будет сопровождаться таким множественным рождением пар. Физические условия — столкновение с атомом — для этого очень подходят. А массы у взятого для измерения фотона так много, что наследники наверняка не замедлят родиться на свет (тут уж точнее сказать: не «на свет», а «из света»). Когда же рядом с атомным электроном возникнут новые, только что сформировавшиеся, ни один экспериментатор не сможет отличить виновника происшедшего, чья координата измерялась, от расплодившихся его близнецов. Измерение окажется бесполезным. Вот что, кроме всего прочего, станет преградой на пути к увеличению точности.

Однако, как бы то ни было, в момент измерения координаты физик побеждает неопределенность в положении электрона. И чем точней допустимое измерение, тем полнее победа. Из двух неопределенностей одну он может, хотя бы мысленно, устранять с неограниченным успехом. Остается посмотреть: нельзя ли при этом с таким же успехом побеждать и другую? Именно — «при этом», в это же время. Иными словами, надо посмотреть, нельзя ли одновременно со сколь угодно точной информацией о положении электрона в атоме получить столь же точную информацию о направлении и быстроте его движения?

Хоть мы уже и твердили на разные лады, что нельзя, надо в этом убедиться на деле.