Страница 33 из 49
Фундамент любой физической теории — пространство и время. Но что это такое? Обычно этот вопрос даже не возникает, так как ответ кажется очевидным: вот оно пространство вокруг нас и вот часы, показывающие время! Однако, если попытаться ответить точнее, сразу же возникают трудности. Получается так, что самые обыденные и привычные для нас свойства окружающей природы вместе с тем — самые загадочные и непонятные. Действительно, что самое главное в свойствах пространства и времени? Для времени это, по-видимому, его течение от прошлого к будущему. Пространство обычно представляют себе чем-то вроде пустой арены, на которой располагаются все физические тела и разыгрываются все процессы. Но всегда ли так? Нельзя ли каким-то образом изменить направление времени на обратное, как это делают авторы научно-фантастических романов? И можно ли пространство считать всегда лишь ареной? Мы знаем, что его кривизна проявляется как сила тяготения, может, и все другие силы природы тоже всего лишь проявления каких-то свойств пространства?
Итак, речь пойдет о «сумасшедших» идеях и теориях, выходящих далеко за рамки общепринятых научных взглядов. Скорее всего, большинство из них так и останутся «сумасшедшими», не подтвердившимися на опыте гипотезами. Но они помогают лучше понять окружающий мир и разведать пути дальнейшего развития физики. Без такой глубокой разведки наука развиваться не может.
«Пьяные» частицы
Американский физик-теоретик Ричард Фейнман как-то заметил, что хотя квантовая механика существует уже более полувека, ее до сих пор не понимает ни один человек в мире. И тут же добавил, что он может утверждать это вполне смело. Заявление, прямо скажем, удивительное, особенно из уст одного из самых знаменитых физиков нашего времени.
Как же так? Ведь с помощью квантовых законов рассчитываются тончайшие явления микромира и выводы подтверждаются с огромной точностью, иногда до миллиардных долей процента. Более того, квантовая механика уже давно используется на практике — например, лазер был изобретен, рассчитан и создан на основе квантовых законов. Эти законы управляют работой электронных микроскопов, используются при проектировании новых электронных приборов, с их помощью рассчитывают свойства сверхпроводников, способных без потерь передавать электрический ток на огромные расстояния. Квантовая механика нашла применение в химии и даже биологии. Как же можно говорить, что никто ее не понимает?!
И тем не менее в утверждении Фейнмана есть большая доля истины. Все дело в том, что поведение микрочастиц настолько непохоже на движение окружающих нас тел, что кажется противоречащим здравому смыслу. Неискушенному человеку часто трудно поверить, что такое может быть в природе. В нашей повседневной жизни мы привыкли к тому, что все тела движутся по строго определенным путям-траекториям. Если известна начальная скорость тела и действующие на него силы, то с помощью законов Ньютона его траекторию можно точно вычислить. Подобную задачу, наверное, приходилось решать каждому школьнику. В любой момент времени мы можем точно установить, в каком месте находится тело и какова его скорость. Точность законов Ньютона очень высока, с их помощью можно, например, предсказать движение небесных тел на многие десятки и сотни лет вперед. Но вот если попытаться применить эти законы к движению микрочастиц, то придем к поразительному выводу: частицу можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути! Получается так, как будто частица движется сразу по всем траекториям либо совершает что-то вроде «броуновского движения» («броуновской пляски») в абсолютно пустом пространстве, многократно, без всякой видимой причины, изменяя направление своего движения и мгновенно перемещаясь из одной пространственной точки в другую.
Как известно, в начале прошлого века, наблюдая под микроскопом взвесь мелких частичек в жидкости, английский ботаник Роберт Броун заметил, что все они «пляшут» — выписывают запутанные зигзагообразные траектории. Как теннисные мячики, по которым случайным образом бьют невидимые ракетки. Сегодня мы знаем, что роль таких ракеток играют молекулы жидкости, которые сталкиваются с частицами взвеси и передают им свое хаотическое тепловое движение. Но что может толкать частицу в абсолютно пустом пространстве? Ведь не может же она сама по себе, по собственной воле, метаться по пустому пространству!
Было выполнено огромное количество экспериментов, и все они привели к одному выводу: размазка движения микрочастицы возникает как бы сама по себе, из ничего!
Иногда говорят, что микрочастица движется по траектории, которая расплылась по всему пространству. Не знаю, поможет ли это более наглядно представить движение микрообъектов, но, как бы там ни было, с точки зрения законов Ньютона, да и просто с позиций здравого смысла, это движение совершенно не предсказуемо. Оно выглядит так, как будто в микропроцессах нарушена связь между причиной и следствием, и, исходя из одних и тех же начальных условий, можно прийти к совершенно различным результатам. А главное, неизвестно, к каким. Один раз получается одно, в другой раз при точно таких же условиях — совсем иное. Похоже на блуждание пьяницы по пустой площади — движется под влиянием ему одному известных причин! Лишь в случае очень массивных, тяжелых частиц с большой инерцией движение начинает постепенно «стягиваться» к ньютоновской траектории, и будущее снова становится однозначным следствием прошлого. Опять как в броуновском движении. Там тоже сильнее всего «пляшут» легкие частицы, тяжелые ведут себя более степенно. Однако «беспричинное блуждание» еще не самая главная трудность, с которой мы встречаемся в микромире. Ведь начальные условия никогда не известны нам абсолютно точно, все величины измеряются с какой-то маленькой погрешностью. В принципе можно было бы рассчитывать на какое-то сложное обобщение уравнений Ньютона, которое было бы очень чувствительно к начальным условиям и в каждом конкретном случае позволило бы шаг за шагом проследить витиевато запутанную траекторию частицы. Более удивителен и непонятен другой факт: оказывается, одна и та же частица может быть сразу в нескольких местах.
Один в двух лицах
Представим себе, что электрон попадает на поглощающий экран с двумя отверстиями, за которыми расположена фотопластинка. Электрон пройдет через одно из отверстий и оставит точечный след на фотопластинке. Повторяя многократно этот опыт, мы должны получить на ней наложение двух картин: черное пятно от электронов, прошедших сквозь одно отверстие, и такое же пятно от электронов, воспользовавшихся вторым отверстием.
Казалось бы, это — единственно возможный результат, другого и быть не может. Так вот, ничего подобного! На фотопластинке получается в точности такая же картина, как при столкновении двух волн на воде, когда на водной поверхности образуется рябь горбиков и ложбин. На пластинке им соответствует рябь размытых пятен и просветов между ними. В физике это называется интерференцией.
Две волны сталкиваются, и там, где пик одной накладывается на пик другой, они усиливают друг друга, а там, где пик одной волны совпадает с направленным в обратную сторону пиком другой, образуется ложбина — здесь волны гасят друг друга. Отсюда и возникает рябь. Можно бросить два камня в воду и посмотреть, как происходит такая интерференция. Но откуда ей взяться, когда сквозь экран каждый раз проходит только один электрон? Столкнуться и интерферировать он может лишь… сам с собой. Другими словами, электрон каким-то образом ухитряется стать одним в двух лицах и пройти сразу сквозь два, далеко отстоящих друг от друга, отверстия. Это напоминает картинку из рубрики «Чудаки» на последней странице «Литературной газеты»: длинная ровная лыжня из двух параллельных следов, и вдруг невесть откуда взявшаяся елка между ними!