Владимир Келлер - Возвращение чародея

Между обеими неопределенностями есть связь. Оказывается, произведение этих двух неопределенностей равно, грубо говоря, постоянной Планка: Δx·Δp = h .

Можно с абсолютной точностью задать что-нибудь одно: или координаты частицы, или ее импульс. Но тогда неопределенность другого, как видно из соотношения, станет бесконечно большой.

Это и есть вызвавшее много шуму, а еще больше неправильных философских толкований соотношение, установленное немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году и получившее название «соотношение неопределенностей».

Порой в повседневной жизни мы сознательно создаем неопределенности. Например, при игре в лапту бегущий, чтобы увернуться от мяча, бежит с различной скоростью, делает неожиданные скачки и т. д. Неопределенность в его импульсе и положении, естественно, мешает другому игроку правильно прицелиться.

Принцип неопределенности позволяет понять тайну многих загадочных явлений в микромире. Почему, например, при температуре абсолютного нуля частицы все же продолжают колебаться? Да потому, что если бы они остановились, их положения в пространстве и их скорости были бы совершенно определенны, а это противоречит соотношению неопределенностей. Почему, как вы думаете, отрицательно заряженные электроны внешних оболочек атомов не падают под влиянием притяжения на положительно заряженное ядро? Потому, что и в этом случае был бы нарушен принцип неопределенности: электроны оказались бы в ядре, неопределенность Δ x стала бы близкой к нулю (то есть она бы почти исчезла, восторжествовала бы определенность). Из соотношения Гейзенберга видно, что при этом стал бы очень большим импульс частицы. Это значит, что она приобрела бы большую кинетическую энергию и «выпрыгнула» бы из ядра.

«Немудрено, — говорит Фейнман, — что ядро идет на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движения, лишь бы не нарушить этого правила» (соотношения неопределенности. — В. К. ).

Открытие двойственности элементарных частиц и соотношения неопределенности, характеризующего их «поведение», произвело огромное впечатление. Ничего подобного не встречалось в повседневной практике. С изумлением увидели люди в микромире материальные тела, ведущие себя своенравно, подчиняющиеся неведомым до тех пор законам. Казалось, здесь были не простейшие частицы материи, а какие-то очень маленькие «живые существа».

Все было до того удивительно и непонятно, что нашлись люди (в том числе ряд философов и публицистов), которые стали уверять, что электроны «имеют душу», «свободу воли», что в них есть нечто, «роднящее» их с живыми организмами, и т. д.

Конечно, это сущая чепуха. Жизнь — свойство самой высокоорганизованной материи, здесь же речь идет о простейших элементах.

Но какой-то иной, неизвестный классической физике вид причинности, определяющий события в микромире, бесспорно существует. Иначе говоря, изучение явлений в микромире привело к открытию существования двух форм причинности: динамической , которой управляются движения крупных тел, и статистической , управляющей движением элементарных частиц.

Применение классической механики к конкретным задачам построено на предположении, что мы знаем все о силах, прилагаемых к рассматриваемой нами системе тел. Только в этом случае мы можем предсказать поведение системы. Хороший пример — предсказание астрономами расположения планет в определенный будущий момент времени. Но вот представьте себе, что из бездонных глубин космоса в Солнечную систему ворвется какое-то новое небесное тело. Оно тотчас нарушит всю тысячелетиями установленную гармонию и приведет систему к неожиданному, непредсказанному состоянию.

Как видно из примера, первым условием возможности предсказания события, подчиняющегося динамической причинности, является отсутствие непредусмотренных взаимодействий рассматриваемой системы с другими.

Но в идеальном смысле эти условия невыполнимы: никогда нельзя предусмотреть всех воздействий извне на изучаемую систему. Может быть, здесь и лежит объяснение «своенравия» микрочастиц?

Действительно, когда мы изучаем большие тела, то должны пренебречь малыми и поэтому практически несущественными, непредусмотренными воздействиями. Если мы сумели предусмотреть все практически существенные воздействия, то с практически достаточной точностью будет работать динамическая причинность; если же она не работает, будем искать существенные воздействия, которых мы пока еще не сумели предусмотреть.

Применим эти рассуждения к микромиру. В мире очень малых частиц существенных воздействий гораздо больше, и поэтому гораздо больший риск не суметь их все предусмотреть. Отсюда и «своенравие»: просто мы не всё еще знаем об условиях, в которых находится рассматриваемая микросистема. Поэтому и не работает динамическая причинность, поэтому и приходится пользоваться причинностью статистической.

Такая — или очень похожая — точка зрения на «своенравие» микрочастиц действительно существует; ее часто называют точкой зрения «скрытых параметров» («скрытые параметры» — это величины, характеризующие в условиях то, чего мы еще не знаем и что существенно). Однако эту точку зрения разделяют очень немногие физики. Подавляющее большинство их придерживается другой точки зрения, согласна которой статистическая причинность управляет явлениями в микромире не потому, что мы еще не открыли «скрытых параметров», а потому, что такова объективная закономерность микромира. И эта статистическая причинность нисколько не хуже динамической — это совсем не «знание второго сорта». Просто микромир так устроен, что в нем основная роль принадлежит статистической причинности.

Не противоречивы ли эти слова «статистическая причинность»? Вспомним дифракционный эксперимент: согласно квантовой механике нельзя предсказать, в каком месте экрана окажется каждый данный электрон. Где же здесь причинность?

Если бы квантовая механика не давала возможности ничего предсказать относительно одного электрона, то действительно в этой теории не было бы места причинности. Плохи были бы дела такой теории. Но на самом деле ведь все совсем не так: квантовая механика позволяет делать совершенно точные предсказания. Так, в случае дифракционного эксперимента она позволяет совершенно точно предсказать пусть не значение координат электрона на экране, а вероятность этого значения. Такой возможности оказывается совершенно достаточно для того, чтобы теоретически объяснять известные явления и предсказывать новые. Чем же предсказание вероятности значения какой-либо физической величины хуже предсказания самого этого значения!