Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Он утверждает, что вы не можете точно знать одновременно положение и импульс электрона или любой другой частицы. Это запрещено квантовой механикой.

Чтобы понять причину, представьте, что у вас есть микроскоп с высоким разрешением, который способен выделить отдельный электрон и определить, где он находится. Проблема в следующем: чтобы увидеть электрон, его нужно осветить. Однако пучок фотонов обладает определенным импульсом и при столкновении с электроном передаст ему часть этого импульса. Мы не знаем точно, какую именно. Чтобы уменьшить эту неопределенность, соприкосновение должно оказаться как можно более легким. Для этого прежде всего нужно максимально ослабить наш пучок — испускать всего по одному фотону за раз. Но даже такого смягчения недостаточно: нам также необходимо уменьшить импульс отдельных фотонов. А теперь вспомним, чему нас учил де Бройль: фотоны с малым импульсом имеют очень большую длину волны. Однако разрешение микроскопа зависит от длины волны падающего света: чем она больше, тем хуже разрешение. Таким образом, если у вас есть реальная определенность с импульсом электрона, у вас должна быть реальная неопределенность с его положением (его координатой).

Эта аналогия принадлежит самому Гейзенбергу, гордому баварцу, открывшему принцип неопределенности в 1927 году, в разгар квантовой революции. Аналогия слабовата, поскольку не учитывает квантовую природу взаимодействия между электроном и фотоном. Чтобы надлежащим образом понимать принцип неопределенности, нам нужно правильно его сформулировать. Каждый раз, когда вы пытаетесь измерить положение электрона, лучшее, что вы можете сделать, — установить, что он находится в какой-то области пространства, имеющей размер ∆x. То же верно и для импульса: вы всего лишь знаете, что он находится в каком-то промежутке размером ∆p. Часто говорят, что ∆x и ∆p — неопределенность для положения и импульса соответственно.

Согласно принципу Гейзенберга они должны удовлетворять следующему соотношению:

Если вам требуется точное знание положения электрона, то неопределенность ∆x должна уменьшиться до нуля. А чтобы точно знать импульс, в ноль должна обратиться неопределенность ∆p. Принцип Гейзенберга говорит нам, что одновременно такого не может происходить. Если вы хотите точнее знать координату частицы, вам придется отказаться от знания импульса, и наоборот.

Существует и другой вариант принципа неопределенности, который связан с неопределенностью энергии частицы ∆E и неопределенностью ее времени ∆t. Этот дополнительный компонент вам нужен, если вы собираетесь говорить о неопределенности в пространстве-времени, как, возможно, склонен делать Усэйн Болт. Формула имеет очень похожий вид:

Лучший способ понять эту формулу — с помощью музыки. Причина в том, что неопределенность на самом деле оказывается свойством волн, она обнаруживается не только в вероятностных волнах квантовой теории, но и в звуковых, которые рождены музыкальными инструментами. Мой друг и коллега Фил Мориарти подробно рассказывает об этом в своей книге «Когда принцип неопределенности доходит до 11»[50]. Фил любит играть на электрогитаре. Предположим, он дергает пятую струну, настроенную на «ля» (в стандартном строе для шестиструнной гитары), позволяя этой ноте звучать как можно дольше. Звук слышен несколько секунд, пока энергия не рассеется. Как и все люди, Фил знает, что этот конкретный звук — комбинация волн разной частоты. Если вы внимательно посмотрите на спектр частот, то увидите ряд узких пиков, показывающих отдельные гармоники для этой конкретной струны.

Поскольку Фил — любитель металла, он также любит прием, когда металлист при игре прижимает ребром ладони струны гитары в районе бриджа (струнодержателя), чтобы приглушить звук. В результате получается классическое звучание хеви-метала — нота та же, только теперь она отличается характерной глухостью. Если вы проанализируете спектр такого приглушенного звучания, то обнаружите те же гармоники, что и без него (в конце концов, нота осталась той же), но пики сливаются друг с другом, образуя аморфное пятно неопределенной частоты.

Амплитуда первой ноты Фила в зависимости от частоты (вверху) и времени (внизу). Нота соответствует последовательности узких частот и продолжает звучать некоторое время

Амплитуда приглушенного звучания Фила в зависимости от частоты (вверху) и времени (внизу). На этот раз нота длится недолго, а частоты разбросаны в гораздо более широком диапазоне

Разница между этими двумя гитарными звуками отражает суть принципа неопределенности. Первый отличается точной частотой, что видно по узким пикам в его спектре. Но у него нет определенности во времени: нота длится так долго, что мы не можем сказать конкретно, когда она в реальности прозвучала. Для метода игры с приглушением все наоборот: здесь есть точность во времени благодаря краткости звука, но нет точности по частоте. В обоих случаях мы видим компромисс между точностью в частоте и точностью во времени.

То же происходит и с волнами вероятности. Чтобы установить связь с принципом неопределенности, нам всего лишь нужно перейти от частот к энергиям, используя преобразователь для планковской валюты E = ħω. В конце концов, принцип неопределенности — не что иное, как элементарная математика французского ученого Жозефа Фурье, восходящая к началу XIX века. Фурье показал, как любой сигнал можно построить с помощью какой-нибудь комбинации осциллирующих синусоид, и, если вы хотите локализовать сигнал — зафиксировать его местоположение во времени или пространстве, — вам потребуется множество волн, которые аннулируют (компенсируют) друг друга в разных местах. Если вы хотите знать, где находится протон или электрон, вам нужен один острый пик на их волне вероятности. Согласно теории Фурье, это означает, что вам нужно множество волн с самыми разными длинами, которые налагаются и компенсируют друг друга везде, кроме окрестности этой частицы.

В квантовой истории есть один важный аспект, которого мы избегали (по крайней мере, до настоящего момента), поскольку он, пожалуй, беспокоит больше всего. Помните, как вы преследовали беглого преступника в торговом центре? Вы не знали точно, где он скрывается, но внезапно один из ваших полицейских поймал его — и вот вы уже точно понимаете, где он. В одно мгновение вы перешли от волны вероятности, раскинувшейся по всему торговому комплексу, к резкому пику в точке поимки. Какая физика описывает этот переход?

С тем же вопросом мы сталкиваемся, когда обнаруживаем электрон. Согласно Бору, в момент измерения волновая функция мгновенно сосредоточивается в том или ином месте. Вы не можете описать это с помощью уравнения, подобного уравнению Шрёдингера, — и как же вы это объясните? Когда я был студентом Кембриджа, я спросил об этом своего преподавателя. Он ответил, что задал тот же вопрос великому пионеру квантовой теории Полю Дираку, и тот