T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.2. Kvantovanie | Oglavlenie | 3.4. V glub' atoma >>
3.3. Sootnoshenie neopredelennosti
Odnim iz populyarneishih personazhei komiksov 30-h godov, vne somneniya, byl Brik Bradford (v ital'yanskom variante – Dzhordzho Ventura). V odnom iz svoih naibolee izvestnyh pohozhdenii on, umen'shennyi d'yavol'skoi mashinoi, vnedryaetsya v monetu stoimost'yu odin cent, chtoby podrobno issledovat' atom medi. Atom predstavlen v vide planetarnoi sistemy v miniatyure; vokrug Solnca vrashayutsya planety, naselennye strannymi sushestvami. Rasskazik v kartinkah nesomnenno byl naveyan predstavleniem ob atome Bora: vokrug yadra, ispolnyayushego rol' Solnca, vrashayutsya elektrony-planety. Na etom vse shodstvo prakticheski konchaetsya. Yadro na samom dele ne osveshaet sistemu (a esli i osveshaet, to izluchaya 
-luchi), elektrony v deistvitel'nosti vse odinakovy i ottalkivayutsya drug ot druga pri sblizhenii; i chto eshe huzhe, orbity elektronov prakticheski zapolnyayut ves' atom, v to vremya kak orbity planet lezhat v odnoi ploskosti (nazyvaemoi ekliptikoi).
Predstavlenie o planetarnoi sisteme vse zhe imeet nesomnennye zaslugi v dele sozdaniya zritel'nyh obrazov i populyarizacii chrezvychaino slozhnyh ponyatii; vremenami byvaet udobno vospol'zovat'sya nesovershennymi obrazami v kachestve pervogo priblizheniya, chtoby peredat' sut' dela. S tochki zreniya didaktiki otkrytie kvantovoi mehaniki uhudshilo polozhenie, hotya i pozvolilo nam glubzhe postich' nekotorye strannye svoistva atomov.
Korpuskulyarnaya priroda sveta
V svoei pervoi rabote 1905 g. Al'bert Einshtein privlek korpuskulyarnuyu teoriyu sveta dlya ob'yasneniya anomalii, nablyudavshihsya v fotoelektricheskom effekte: soglasno etoi teorii, svet rasprostranyaetsya v vide paketov ("kvantov" sveta, ili "fotonov") vpolne opredelennoi energii, proporcional'noi chastote v sootvetstvii s zakonom Planka.
V izvestnom smysle lampa predstavlyaet soboi "pulemet, strelyayushii fotonami"; kak my uzhe govorili, energiya etih fotonov mozhet menyat'sya k zavisit ot cveta sveta; energiya sinih kvantov vdvoe prevyshaet energiyu krasnyh; kvanty radiovoln isklyuchitel'no malen'kie, v to vremya kak kvanty -izlucheniya gromadny (na atomnom urovne); v predel'nom sluchae kosmicheskogo izlucheniya mogli by sushestvovat' kvanty s energiei, sravnimoi s energiei myacha dlya gol'fa.
Nablyudenie elektronov
Predpolozhim teper', chto nam zahotelos' uvidet' dvizhenie elektronov vnutri atoma tak zhe, kak s pomosh'yu teleskopov my nablyudaem dvizhenie planet. Poskol'ku yadro samo ne izluchaet i elektrony ne ispuskayut sobstvennogo sveta, prishlos' by osvetit' atom izvne, ispol'zuya podhodyashii istochnik. Dlina volny padayushego sveta dolzhna byt' sravnimoi s razmerami nablyudaemyh ob'ektov; tak, radar, rabotayushii na metrovyh radiovolnah, ne "uvidit" muhi; po etoi zhe prichine obychnyi mikroskop ne mozhet pomoch' nam uvidet' vnutrennost' atoma. Samyi melkii ob'ekt, nablyudaemyi v obychnom vidimom svete, imeet razmery poryadka tysyachnoi doli millimetra, a atom primerno v desyat' tysyach raz men'she; chtoby uvidet' v atome hot' chto-nibud', nuzhno osveshat' ego rentgenovskimi luchami. Kstati, pervye uspehi v ponimanii struktury atoma byli dostignuty kak raz togda, kogda fiziki poluchili v svoe rasporyazhenie istochnik korotkovolnovogo izlucheniya. Chastota uvelichivaetsya s umen'sheniem dliny volny, dlinnye radiovolny (s dlinoi volny poryadka 1 km) imeyut nizkuyu chastotu (dlya ukazannoi dliny volny ona sostavlyaet 300000 gerc; 1 gerc=1 cikl v sekundu); chastota voln vidimogo sveta dohodit do 
gerc, chto v milliard raz bol'she.
Sootnoshenie neopredelennosti
Kak uzhe bylo skazano, energiya fotonov sveta namnogo bol'she energii kvantov radiovoln; v svoyu ochered' energiya kvantov rentgenovskih luchei v desyat' ili dazhe v sto tysyach raz bol'she energii kvantov svetovyh. Chem men'she detali ob'ektov, kotorye my sobiraemsya rassmatrivat', tem energichnee dolzhny byt' ispol'zuemye fotony. Etot fakt imeet strannye posledstviya. V to vremya kak svet ot Solnca, dazhe intensivnyi, prakticheski ne vozdeistvuet na dvizhenie planet i pozvolyaet nam spokoino vesti nablyudeniya, izluchenie rentgenovskih mikroskopov ochen' sil'no vliyaet na dvizhenie issleduemyh elektronov, bombardiruya ih fotonami vysokih energii. Deistvitel'no, elektrony predstavlyayut soboi chasticy s ochen' malen'koi massoi, i ih dvizhenie ispytyvaet sil'noe vozmushenie pri soudarenii s fotonami, ispol'zuemymi dlya nablyudeniya; ved' chtoby tochno opredelit' polozhenie elektrona, neobhodimo ispol'zovat' korotkovolnovye i vysokochastotnye rentgenovskie luchi, t.e. fotony ochen' vysokih energii. V rezul'tate provedennogo nablyudeniya skorost' elektrona okazhetsya chrezvychaino neopredelennoi velichiny, poskol'ku nevozmozhno zaranee predvidet', skol'ko energii on poluchit ot fotona-nablyudatelya.
Podobnye rassuzhdeniya priveli k poyavleniyu sootnosheniya neopredelennosti Geizenberga: soglasno Geizenbergu, nevozmozhno odnovremenno opredelit' i polozhenie, i skorost' elektrona (da i lyuboi drugoi chasticy). Bolee togo, bessmyslenno dazhe predstavlyat' elektron kak ob'ekt, kotoromu mozhno pripisat' polozhenie i skorost', opredelennye sovershenno tochno v odno i to zhe vremya; ogranicheniya, kotoryh my kosnulis', svyazany vovse ne s plohoi konstrukciei mikroskopa, no sleduyut iz novyh svoistv, vnutrenne prisushih materii. Eti svoistva yavilis' predmetom dlitel'nyh debatov, ne zatihayushih do sih por.
Volnovaya formulirovka kvantovoi mehaniki
Trudnosti, voznikayushie pri popytkah ob'yasnit' kvantovuyu mehaniku neposvyashennym, dovol'no znachitel'ny; veroyatno, luchshe vsego mozhno raz'yasnit' sut' veshei, ishodya iz ee volnovoi formulirovki.
Dvizhenie elektrona pri etom uzhe ne opisyvayut, zadavaya posledovatel'nye polozheniya v zavisimosti ot vremeni, – elektron predstavlyaetsya v vide "mini-volny"; pri takom podhode sootnoshenie neopredelennosti avtomaticheski vhodit sostavnoi chast'yu v teoriyu.
Voobrazim seriyu voln, nabegayushih na pologii bereg; skorost' etih voln vpolne opredelennaya, i ee mozhno vychislit', znaya rasstoyanie i vremya, razdelyayushie dva posledovatel'nyh grebnya. Volna, odnako, ne osobenno lokalizovana, ona zanimaet bol'shoe prostranstvo. Elektron, skorost' kotorogo nam horosho izvestna, v otlichie ot polozheniya, kotoroe my znaem ochen' ploho, mozhno predstavit' v vide volny takogo tipa.
V protivopolozhnost' rassmotrennomu primeru mozhno predstavit' sebe bak s vodoi, podveshennyi nad poverhnost'yu morya v tochno opredelennom meste; bak otkryvaetsya, i voda v posleduyushie mgnoveniya nizvergaetsya, sozdavaya seriyu voln, kotorye razbegayutsya vo vse storony s samymi razlichnymi skorostyami. Elektron, lokalizovannyi v prostranstve, harakterizuetsya volnovoi funkciei kak raz takogo tipa.
Obraz chasticy v vide material'nogo sharika, peremeshayushegosya vdol' vpolne opredelennoi orbity, yavlyaetsya vsego lish' zritel'nym priblizheniem k bolee glubokoi i skrytoi istine, vyrazhaemoi kvantovoi mehanikoi. Sushestvuet mnenie, chto otkrytie etoi mehaniki privelo k revolyucii v fizike, sravnimoi s perevorotom v umah, vyzvannym principom otnositel'nosti. Kvantovyi obraz atoma prekrasno illyustriruet eto. V konce koncov, mozhno schitat' elektron i sharikom, lish' by ne prishlo v golovu popytat'sya slishkom tochno lokalizovat' ego ili poka emu po doroge ne vstretilis' slishkom melkie prepyatstviya; v etih sluchayah zametnoi stanovitsya volnovaya priroda elektrona.
V modeli Bora naibolee glubokie atomnye orbity stradayut kak raz ot etih ogranichenii, oni slishkom blizko podhodyat k yadru. Poetomu pri ih opisanii nado uchityvat', chto elektron yavlyaetsya volnoi. Atom v znachitel'noi mere pohozh na strannuyu rezonansnuyu polost', v kotoroi vmesto zvukovyh voln nahodyatsya elektronnye.
Eshe vo vremena Pifagora bylo izvestno, chto struna, baraban, truba organa i tomu podobnye predmety mogut izdavat' zvuk, t.e. kolebat'sya, tol'ko s opredelennymi chastotami, zavisyashimi ot formy predmeta. Chem dlinnee struna ili truba organa, tem medlennee ih kolebaniya i nizhe zvuk. Tochno takim zhe obrazom kolebaniya atoma mogut proishodit' tol'ko s chastotami iz vpolne opredelennogo nabora, prichem kazhdaya moda sootvetstvuet opredelennoi orbite v staroi modeli Bora-Brika Bradforda. V obychnoi planetarnoi sisteme ne sushestvuet zapretov, kotorye zastavlyali by planety zanimat' tol'ko kakie-to zadannye orbity.
Naprotiv, v atome elektrony-volny mogut obrashat'sya vokrug yadra tol'ko vpolne opredelennym obrazom. Kvantovaya mehanika spravedliva dlya lyubyh form materii i, sledovatel'no, dlya samih fotonov, dlya yader i ih sostavnyh chastei, protonov i neitronov. Chem bol'she chastica, tem menee zametny effekty, svyazannye s sootnosheniem neopredelennosti Geizenberga, Struktura yader ne ostavlyaet nikakih somnenii otnositel'no kvantovoi prirody ih sostavnyh chastei.
Zamechaniya po povodu veroyatnostnoi interpretacii
Eksperimental'nye podtverzhdeniya spravedlivosti kvantovoi mehaniki stol' ubeditel'ny, chto dolzhny byli razveyat' vsyakoe nedoverie k nei. No ostayutsya somneniya v plane filosofskom: horosho izvestno, chto Einshtein byl protiv ponimaniya sushestva teorii na osnove principa neopredelennosti tak zhe, kak Shredinger i de Broil', kotorye na pervyh porah vmeste s Einshteinom byli tvorcami novoi mehaniki. Spory kasalis' tol'ko istinnogo smysla teorii, a vovse ne spravedlivosti ee predskazanii ili matematicheskogo apparata.
S tochki zreniya Einshteina, teoriya byla nesovershennoi; no stol' zhe nesovershennoi yavlyaetsya i statisticheskaya mehanika, poskol'ku ona zanimaetsya tol'ko svoistvami veshestva, spravedlivymi v srednem, i ne proslezhivaet dvizhenie kazhdogo otdel'nogo atoma; da i po sushestvu statisticheskaya mehanika daet takie predskazaniya otnositel'no povedeniya veshestva, kotorye v bol'shinstve sluchaev mogut byt' polucheny s toi zhe stepen'yu dostovernosti na osnove termodinamiki bez kakogo-libo upominaniya o sushestvovanii atomov. V svoei rabote fiziki vsegda imeyut delo s nesovershennymi teoriyami, spravedlivymi tol'ko dlya ogranichennogo kruga yavlenii, poka, kak inogda byvaet, oni ne otkryvayut kakie-to novye yavleniya, vynuzhdayushie ih vyhodit' iz oblasti spravedlivosti etih teorii i stroit' novye.
Vne vsyakih somnenii, kvantovaya mehanika budet v konce koncov prevzoidena, i, vozmozhno, okazhetsya, chto somneniya Einshteina byli obosnovany. V nastoyashee zhe vremya, pohozhe, net ni fizikov, kotorye videli by dal'she sobstvennogo nosa, ni konkretnyh predlozhenii, kak preodolet' rubezhi kvantovoi mehaniki, ni eksperimental'nyh dannyh, ukazyvayushih na takuyu vozmozhnost'.
<< 3.2. Kvantovanie | Oglavlenie | 3.4. V glub' atoma >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
