Глава 1
ОБРАТНАЯ СТОРОНА ВСЕЛЕННОЙ
1.3 Ох, уж этот микромир!
Что же представляет собой микромир – мир самых маленьких частиц: атомов, протонов, электронов?..
Всяких частиц много, и все они разные. Одни заряжены положительно, как, например, протон. Другие отрицательно – электрон. А некоторые вообще никак не заряжены – нейтрон, фотон, нейтрино… Все они – кирпичики нашего мира, которые, соединяясь друг с другом, формируют более сложные образования – атомы, молекулы и прочие агрегаты.
Когда учёные только-только начали изучать микромир, они были уверены: он подчиняется тем же законам, что и макромир. Они думали, что атом подобен Солнечной системе. Только роль светила играет ядро, вокруг которого вращаются «планетки» – электроны. Более того, они даже считали, что движение электронов в атоме можно рассчитать, как и вращение планет вокруг Солнца. И, конечно, у них не было сомнений в том, что движение любой элементарной частицы предсказуемо.
Каково же было удивление исследователей, когда оказалось, что микромир подчиняется совершенно иным законам, нежели макромир! Допустим, два электрона в одинаковых условиях летят с равными скоростями в одном и том же направлении. Казалось бы, всё очевидно: они и дальше будут двигаться схожим образом. А как ещё может быть? Ведь их движение подчиняется одинаковым законам. Но дело обстоит иначе. Электроны не будут лететь абсолютно одинаково. Они способны непредсказуемо изменять направление своего движения, причём без всякой на то причины. Один электрон немного отклонится в одну сторону, второй – в другую (рисунок 1).
Учёные никак не хотели верить, что отклонение электронов от прямолинейного движения носит случайный характер. Они считали, что просто нет полной информации об элементарных частицах. Есть неизвестные пока особенности, которые могут как-то влиять на их движение. В дальнейшем, когда эти особенности (иногда их называют «скрытыми параметрами») откроют, можно будет рассчитать точную траекторию перемещения. Однако всё более точные наблюдения за частицами показывают, что отклонение их движения от заданного направления действительно имеет непредсказуемый характер. И эти случайные отклонения никак нельзя строго рассчитать. Можно лишь определить вероятность, что частица попадёт в ту или иную точку. Например, в случае движения большого числа электронов мы не способны точно рассчитать, какая частица в какой точке пространства окажется в данный момент времени. Мы определим только наиболее вероятное количество электронов, которые окажутся в том или ином месте. Возможность попадания в одни точки будет больше, в другие – меньше. Но в любом случае, это не точное вычисление, а вероятностное. Микромир не поддаётся точным расчётам.
Но самым удивительным оказался даже не случайный характер движения частиц, а совсем другое явление. Если на пути электрона поставить пластину с двумя отверстиями, то частица пролетит сразу через два отверстия! Это трудно представить. В нашем мире всё происходит по-другому. Возьмём вместо отверстий – окна, вместо электрона – мяч. Сколько бы ни кидали мяч, мы всегда попадём только в одно окно. Иногда мы будем попадать в первое, иногда – во второе, но никогда мы не сможем одним и тем же мячом проникнуть сразу в два окна. Это даже представить невозможно. А в микромире пройти электрону через два отверстия в одно и то же время – обычное дело. При этом вспомним, что электрон – неделимая частица.
Но на этом чудеса не заканчиваются. Если мы подведём к каждому отверстию детектор – прибор, который ловит частицы, то обнаружим электрон или в одном отверстии, или в другом, но никогда – сразу в двух. А если приборы убрать, то есть не мешать частице двигаться, она снова станет проходить одновременно через два отверстия. На рисунке 2 показано, куда попадёт электрон, если закрыто отверстие 1. Он попадёт в окрестность точки 2(со штрихом), которая находится напротив отверстия 2.
Если же закрыто отверстие 2, электрон попадает в окрестность точки 1(со штрихом), находящейся напротив отверстия 1 (рисунок 3).
Если же открыты оба отверстия, электрон, как ни странно, попадёт в окрестность точки 0, которая находится не напротив отверстия 1 и не напротив отверстия 2. Она находится посередине между точками 1(со штрихом) и 2(со штрихом) (рисунок 4).
Это странное явление объясняется тем, что при одних условиях электрон ведёт себя как частица, а при других как волна. То есть электрон имеет двойственную природу. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма. Если электрону помешать двигаться, “схватив” его в какой-то точке, в это мгновение он станет частицей. Но если ему предоставить свободу, он будет вести себя как волна.
Мир маленьких частиц называют странным потому, что он не поддаётся логике. Если траекторию движения обычного тела можно изобразить в виде линии, то для элементарных частиц это сделать невозможно. Они могут двигаться по двум или нескольким путям одновременно. Как такое может быть?
Это действительно кажется более чем странным. Разве человек может идти по двум или трём дорогам одновременно? Такой вопрос даже не уместен. Наш мир не такой. Он вполне определённый. Если мы движемся, то только по одному пути. Его траектория может быть сложной, запутанной, подобно лабиринту. Но она одна! Разве только в сказочных снах мы способны находиться в нескольких местах одновременно. В реальной же жизни такое невозможно. А вот в микромире движение по разным путям одновременно – вполне естественное явление. Такую особенность частиц можно сравнить с человеческим воображением, которое также изменчиво, непредсказуемо и почти не поддаётся объяснению с помощью какой-нибудь понятной логики. Нас не удивляет, что мы можем удержать в голове сразу много всяких мыслей, вопросов, решений. Это кажется нам вполне естественным.
Все эти особенности поведения частиц были неожиданными и совершенно непонятными для учёных. Чтобы доказать, что никакой неопределённости в микромире нет, они проводили множество самых изощрённых экспериментов. Например, чтобы определить местоположение электрона, на него направляли свет. Однако взаимодействие с фотонами приводило к тому, что электрон отклонялся от своего пути. Поэтому первоначально учёные надеялись, что неопределённость в микромире есть результат воздействия измерительных приборов или вспомогательных частиц, например фотонов, на те элементарные частицы, которые они исследовали. Потребовалось немало времени, чтобы часть учёных, наконец, смирилась с тем фактом, что неопределённость – объективная реальность, существующая независимо от приборов, измерений, наших знаний. И она, кстати, всё же поддаётся описанию.
Неопределённость можно назвать сердцем микромира. Молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг написал знаменитое соотношение неопределённостей, которое стало фундаментом для создания новой науки – квантовой механики, изучающей мир элементарных частиц, или квантовых объектов. Соотношение Гейзенберга математически выражает тот факт, что в каждый момент времени частица не имеет ни точного местоположения, ни точного значения своей скорости. Если мы поймаем частицу и “зафиксируем” её в конкретной точке, то тем самым сильно увеличим неопределённость её скорости. Квантовый объект не может в одно и то же время иметь точное местоположение и точное значение своей скорости. Чем более определённое местоположение он имеет, тем менее определена при этом его скорость.
Однако многие учёные так и не захотели принять непонятные для них законы субатомного пространства. Даже Эйнштейн, сделавший немало для развития квантовой механики (он, например, открыл, что свет не только волны, но и частицы – фотоны; именно за это открытие знаменитый учёный получил Нобелевскую премию), до конца своей жизни так и не смирился с неопределённостью в микромире. Он считал абсурдом, что частице не составляет труда двигаться сразу по двум и более путям в одно и то же время. Он не верил и в то, что она может абсолютно случайно отклониться от направления своего перемещения. Эйнштейн считал квантовую механику не полной. Он был уверен, что когда появится полная теория, проблема неопределённости в микромире отпадёт сама собой. Эйнштейну было обидно, что люди настолько ограничены в своих возможностях, что не могут рассчитать, каким образом отклонится частица в каждом конкретном случае, не могут одновременно определить её точное местоположение и скорость. Хотя открытие неопределённости доказывает как раз обратное. Человек способен изучать и исследовать не только “логичные”, предсказуемые явления, но и “алогичные”. И не только изучать, но и использовать их на практике. Стремительный взлёт в развитии техники последних десятилетий обязан квантовой механике.
Нужно отметить, что не только Эйнштейн, но и многие другие известные физики не приняли квантовую механику, не смирились с тем, что в микромире есть неопределённость, не позволяющая делать точные расчёты движения частиц. К этой группе принадлежали также выдающиеся физики Луи де Бройль и Эрвин Шрёдингер. Этот факт интересен тем, что они были одними из тех, кто заложил фундамент квантовой механики. Де Бройль открыл, что электрон – волна, Шрёдингер написал знаменитое уравнение, названное в честь него, описывающее вероятностное движение любой частицы. Кстати, до сих пор существует разделение физиков в их взглядах на квантовую механику. Одни считают, что это наука, дающая полное описание движения частиц, то есть неопределённость существует объективно. Другие относятся к квантовой механике, как к не полной теории, требующей дополнительного развития до такого уровня, чтобы она позволяла точно, однозначно рассчитывать и предсказывать движение любых частиц.
Последние годы своей жизни (более тридцати лет!) Эйнштейн посвятил созданию единой теории, объединяющей гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Но все усилия великого физика были напрасны. Он не смог построить такую теорию. Одной из причин неудачи, вероятно, было непринятие Эйнштейном квантовой механики. Вполне возможно, если бы он смирился с неопределённостью в микромире и постарался учесть её в своих расчётах, то смог бы получить хоть какие-то результаты в своих поисках.