Парадоксы микромира: квантовая механика
«Если квантовая механика не потрясла вас до глубины души — вы ее не поняли.»
Нильс Бор
На первый взгляд кажется, что квантовая механика противоречит здравому смыслу. На самом деле она противоречит лишь законам макромира, где действует механика Ньютона. А мир элементарных частиц живет по своим правилам.
Граница между мирами
У квантовой теории есть точная дата рождения — 14 декабря 1900 года. В этот день проходило заседание Немецкого физического общества, на котором Макс Планк зачитал свой доклад, где впервые прозвучал термин «квант». Этим словом ученый обозначил порцию энергии, излучаемой атомами. Он вывел формулу, при помощи которой можно рассчитать количество энергии, соответствующей одному кванту. Эту величину назвали постоянной Планка.
Сам Планк не считал кванты реальной вещью, для него это была всего лишь удобная математическая модель, позволяющая объяснить взаимодействие между электромагнитными волнами и атомами. Но предположение Планка, что атомы излучают энергию порциями, позже было подтверждено экспериментально.
Постоянная Планка есть во всех формулах квантовой механики. Ее присутствие означает, что речь идет о бесконечно малых величинах, гораздо меньше обычной песчинки. Можно сказать, что эта величина в физике проводит границу между микромиром и макромиром.
В микромире, изучением которого занимается квантовая механика, работают совсем не те физические законы, к которым мы привыкли в мире обыденном. Можно даже сказать, что квантовая механика противоречит здравому смыслу. В чем же заключается это противоречие? В первую очередь в том, что в микромире невозможно произвести какие-либо измерения, не повлияв на объект этих измерений.
Квантовая механика на заре своего существования называлась атомной, потому что эта наука изучает движение электронов в атоме
Все очень неопределенно
В обыденной жизни мы живем среди предметов, размеры которых сопоставимы с нашими. Здесь с измерениями проблем нет. Мы можем взять рулетку и узнать высоту и ширину окна в своей комнате — наше присутствие и воздействие рулетки никак не повлияет на размеры окна. В микромире все гораздо сложнее. Мы не можем увидеть электрон невооруженным глазом, более того, у нас нет измерительных инструментов такого микроскопического масштаба. Чтобы узнать какой-либо из параметров электрона (например, его координаты), физики направляют на него другую элементарную частицу и замеряют отклонения, которые возникли в результате их столкновения.
Таким образом, факт измерения, изучения частицы воздействует на нее. И результаты, естественно, искажаются. Это неразрешимое противоречие квантовой механики: изучение законов элементарных частиц невозможно без воздействия на них, но это воздействие искажает результаты.
Эффект воздействия инструментов на объекты измерения, существующий в квантовом мире, впервые описал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Поэтому он был назван принципом неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, чем меньше неопределенность одной величины, тем больше неопределенность другой. Если бы этот закон действовал в нашем мире, то, измерив ширину окна, мы не могли бы точно узнать его высоту. Это кажется странным, но только для макромира.
Представьте, что в ходе опыта измеряется пространственное положение квантовой частицы. С некоторой погрешностью, возникшей из-за измерения, его удалось установить. Но если мы захотим измерить еще и скорость этой частицы, сделать это будет гораздо сложнее, ведь из-за того, что мы направили к ней электрон, ее скорость изменилась. То есть неопределенность второй измеряемой величины гораздо выше, чем первой. В этом и заключается принцип Гейзенберга.
«В науке головоломку тебе задает не кто иной, как Господь. Он придумал и саму игру, и ее правила, которые к тому же ты можешь и не знать полностью» (Э. Шрёдингер)