Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

еще раз проверить свое впечатление о его достоинствах, мы не можем беспредельно уточнять наши сведения о квантовой системе: ее разрушит, как правило, уже первое измерение. Гейзенберг не только понял впервые этот суровый факт, но и сумел записать его на строгом языке формул.

Соотношение неопределенностей — одна из самых важных формул квантовой механики, в ней как бы сконцентрированы ее самые существенные особенности. После его открытия пришлось пересмотреть не только основы физики, но и теорию познания. Этот последний шаг оказался под силу лишь Нильсу Бору, который счастливо сочетал в себе могучий интеллект настоящего ученого и философский склад ума истинного мыслителя. В свое время он создал систему образов квантовой механики, теперь, четырнадцать лет спустя, он тщательно оттачивал систему ее понятий. После Бора стало ясно, что и соотношение неопределенностей, и корпускулярно-волновой дуализм — лишь частные проявления более общего принципа — принципа дополнительности.

ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ

Принцип, который Бор назвал дополнительностью,— одна из самых глубоких философских и естественнонаучных идей нашего времени, с которой можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представления о физическом поле. Его общность не позволяет свести его к какому-либо одному утверждению — им надо овладевать постепенно, на конкретных примерах. Проще всего (так поступил в свое время и Бор) начать с анализа процесса измерения импульса р и координаты х атомного объекта.

Нильс Бор обратил внимание на очень простой и понятный факт: координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но и с помощью одного и того же прибора. В самом деле, чтобы измерить импульс р атомной частицы и при этом не очень сильно его изменить, необходим очень легкий подвижный «прибор». Но именно эта подвижность приводит к тому, что его положение весьма неопределенно.

Когда мы говорим в микрофон, то звуковые волны нашего голоса преобразуются там в колебания мембраны. Чем легче и подвижнее мембрана, тем точнее она следует за колебаниями воздуха. Но тем труднее определить ее положение в каждый момент времени. Для измерения координаты х мы должны поэтому взять другой, очень массивный прибор, который не шелохнется при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим. Это — простейшая экспериментальная иллюстрация к соотношению неопределенностей Гейзенберга: нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату х и импульс р. Для этого необходимы два измерения и два принципиально разных прибора, свойства которых дополнительны друг другу.

Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору. До него все были согласны, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость свойств, измеряемых с их помощью. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства эти действительно несовместимы, но для полного описания квантового объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.

В действительности с такой ситуацией мы встречаемся повсеместно. Всем нам памятно детство, когда в солнечный день мы с помощью линзы поджигали бумагу и сухие былинки. Это — одна характеристика солнечного луча: он несет энергию в виде фотонов. Но если тот же солнечный луч пропустить не через линзу, а через призму, то мы увидим спектр. Это — другая, дополнительная характеристика того же луча: он состоит из волн различной длины. Линза и призма — различные приборы, которые позволяют нам наблюдать различные физические явления, характеризующие разные дополнительные свойства единого квантового объекта. Эти свойства нельзя наблюдать одновременно, в одном и том же опыте, с одним и тем же прибором, но они равно необходимы, чтобы представить себе сущность солнечного луча во всей его полноте.

Приведенное рассуждение о дополнительности двух несовместимых измерений можно пояснить простой аналогией. Представьте, что вы хотите узнать содержимое «черного ящика», который устроен специальным образом, а именно — наподобие хорошо известной камеры-обскуры. Эта камера, в отличие от обычной, имеет два отверстия и соответственно две фотопластинки на противостоящих им стенках ящика. Пока оба отверстия закрыты, мы ничего не знаем о предмете в ящике, он для нас попросту не существует. Открывая их поочередно, мы получим на фотопластинках две проекции изучаемого предмета. Каждая из них, взятая в отдельности, недостаточна, однако обе они равно необходимы для воссоздания объемной картины изучаемого объекта.

Две различные проекции предмета соответствуют двум разным, дополнительным типам измерений в квантовой механике. Очевидно, осуществить оба измерения одновременно мы не можем, поскольку при одновременном открывании отверстий в нашей камере-обскуре, кроме тени от предмета, создаваемой нужным отверстием, на каждую из фотопластинок попадет свет от другого, «дополнительного» отверстия и оба изображения будут испорчены. Ясно также, что если изучаемый объект очень мал, то уже при первом измерении-наблюдении мы нарушим его первоначальное состояние, например сдвинем его или повернем. А это означает, что при открывании второго отверстия мы получим на другой фотопластинке не истинную, а искаженную проекцию предмета. В этих условиях объемную картину можно восстановить лишь приблизительно, но это все-таки лучше, чем хотя и точное, но плоское изображение. Квантовая механика утверждает, что для воссоздания «объемной картины» атомного объекта достаточно двух его «плоских проекций», то есть двух дополнительных измерений, например измерений координаты и импульса.

В переводе на язык абстрактных понятий предыдущие аналогии можно обобщить следующим образом. Квантовый объект — это «вещь в себе», пока мы не указали способа его наблюдения. Различные свойства объекта требуют разных способов наблюдения, иногда несовместимых между собой. В действительности понятия «объект» и «наблюдение» — лишь удобные абстракции, необходимые для описания более общего понятия «экспериментальная ситуация». Физическая наука изучает не объекты сами по себе, а конкретные реализации экспериментальной ситуации, которые мы называем «явлениями». С точки зрения опыта любое явление — это упорядоченный набор чисел, которые суть результаты измерений реакции объекта на воздействие прибора избранного типа. Выбирая разные, дополнительные приборы, мы меняем экспериментальную ситуацию; реализуя ее, воздействуем на разные характеристики объекта; наконец, наблюдая следствия этого воздействия, мы получаем различные наборы чисел, то есть изучаем разные явления. И хотя дополнительные явления невозможно изучить одновременно, в одном опыте, тем не менее они характеризуют единый квантовый объект и равно необходимы для полной его характеристики.

Всегда было важно, какие вопросы мы задаем природе. Задавая вопросы природе квантовой, мы должны быть особенно внимательны, ибо от их выбора зависит способ расчленения единой природы на две части: объект + наблюдатель. Принцип дополнительности утверждает, что существует по крайней мере два качественно