Квантовые ковры

Вот к чему сводится суть открытия Гейзенберга. Возьмем одну из частиц внутри моего куска урана. Если мы знаем, что эта частица пребывает в состоянии покоя – не движется, – то оказывается, что мы не можем знать, где она находится. То есть если проверить ее местоположение, есть шанс обнаружить ее в любой точке Вселенной. Напротив, если попытаться точно определить, где эта частица находится, мы внезапно теряем возможность определения того, как она движется. Частица, которая казалась нам покоящейся, неожиданно оказывается движущейся в произвольном направлении.

Эта идея кажется абсолютно безумной. Подбросив игральную кость в воздух и внимательно следя за ее падением на стол, я не ожидаю, что мое знание положения кости внезапно заставит ее улететь в совершенно новом направлении. Но такое интуитивное представление справедливо только в отношении объектов с большой массой. Если масса мала – например в случае электрона, – то именно так все и происходит. Если определить положение электрона с точностью до радиуса атома, его скорость может изменяться на величину, составляющую до 1000 км/с, причем в любом направлении.

Это похоже на попытки расстелить некий странный квантовый ковер: каждый раз, как мы фиксируем край ковра, соответствующий положению, его импульсный край задирается; стоит нам зафиксировать импульсный край, как другой край ковра уходит со своего места.

Чтобы разобраться в этой упругой связи между положением и импульсом, вернемся к нашему щелевому экрану. Мы изучали странное поведение частицы, направленной на экран, в котором прорезаны две щели. А вот странные отношения между положением и импульсом проявляются в поведении частицы, пролетающей через одиночную щель. Мы уже отмечали, что при пролете частиц через одиночную щель возникает некоторая диффузия. А почему, собственно, один электрон, пролетающий через щель, вообще должен отклоняться? Если электрон – точечная частица, почему же он не пролетает прямо через щель? Как можно объяснить распределение его возможных положений после пролета через щель? Наблюдаемую в этом случае диффузию объясняет именно балансирование между знанием положения и знанием импульса.

Установим источник электронов на большом расстоянии от экрана: тогда, если электрон пролетает через щель, он заведомо не может сместиться в направлении, перпендикулярном щели. Это означает, что, если частица попадает в щель, мы знаем, что ее импульс в этом направлении равен нулю. То есть его значение нам известно точно.

Если считать электрон точечной частицей, то он либо пролетает через щель, не задевая экрана, либо не пролетает. Если он пролетает через щель, мы получаем информацию о его положении, точность которой определяется шириной щели. То есть теперь можно предсказать, в какое место детектора он попадет. Поскольку до попадания электрона в щель импульс в направлении, перпендикулярном ей, был нулевым, электрон должен попасть в участок детектора, ширина которого точно равна ширине щели. Почему же при пропускании через щель все большего числа электронов мы получаем ту же диффузионную картину, которая возникает при попадании волн на пластину детектора? Почему не все электроны прилетают на участок, ширина которого равна ширине щели?

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что любое измерение, касающееся точного определения положения электрона, порождает неопределенность значения его импульса. Так, например, если электрон пролетел через щель, то его положение известно нам с точностью, определенной шириной щели. По мере уменьшения ширины щели уменьшается и погрешность определения положения. Но диффузионный рисунок становится при этом все шире и шире. Почему? Потому, что это влияет на величину импульса. Если при подлете к щели импульс в направлении, перпендикулярном ей, был равен нулю, то после вылета электрона из щели его положение определено более точно, а его импульс становится неопределенным. Мы зафиксировали край квантового ковра, отвечающий за положение, и его импульсный край от этого задрался.

Очень странная ситуация. Более того, нельзя вычислить заранее, каким именно будет воздействие на импульс. Его можно только измерить впоследствии. Нам доступен только диапазон возможных значений, в пределах которого будет найден импульс при наблюдении. К тому же, если повторить тот же опыт, оказывается, что импульс не определяется условиями эксперимента. Для определения возможного значения импульса имеется только вероятностный механизм.