На самом деле ученые предпочитают говорить не о скорости, а об импульсе. Давайте раз и навсегда разберемся с этим термином, хоть он из школьной физики, но мешает расслабленному чтению после тяжёлого рабочего дня составления справок и отчётов. Импульс — это такая характеристика движущегося тела, равная массе этого тела, умноженной на его скорость. Его еще называют количеством движения и измеряют в килограммах на метр в секунду. Чем больше масса движущегося тела, тем больше его импульс. Импульс намекает, как больно нам прилетит в лоб брошеный булыжник, и качество полученной шишки будет зависеть как от массы булыжника, так и от его скорости к моменту прилета в лоб, а также, что важно, от направления, ведь имеется большая разница, как летит булыжник в нашу сторону: перпендикулярно или по касательной. Импульс имеет важное свойство — они никуда не пропадает при столкновении, а передается другому телу (вашему лбу, хе-хе), тем самым создавая всемирный закон сохранения импульса.
Для частицы, которая, как мы помним, типа волна и всё такое, импульс равен постоянной Планка, разделенной на длину волны. Это, кстати, означает, что чем короче длина волны, тем больше ее импульс. Вот почему длинная радиоволна не чувствуется кожей, а ультрафиолет — вполне ощутим в виде загара.
Впрочем, если вам тяжело осознать импульс, то можете очень осторожно при встрече этого словечка далее в тексте заменять его на «скорость». Только никому не говорите, что мы вам это посоветовали. Продолжим?
Из экспериментов следовало, что если бы мы точно знали импульс частицы, то мы бы вообще ничего не знали о ее местонахождении. Она бы с одинаковой вероятностью находилась в любом месте траектории.
Однако в реальности мы все-таки ожидаем увидеть частицу в определенном месте и времени. Значит, надежда на какую-то стабильность все-такие есть. Дело в том, что любая частица, гоняющая по вселенной, находится в суперпозиции своих состояний. В некотором смысле реальную частицу можно считать эдаким волновым пакетом, в котором напихано огромное, читайте, бесконечное количество вариантов длин волн и амплитуд (которые вероятности). И в этом самом пакете все эти состояния интерферируют: волны накладываются друг на друга, в результате чего частица приобретает более скромные вероятности обнаружения своих параметров. Большинство вариантов из-за так называемой деструктивной интерференции становится нереализуемым. Видите? На рисунке высота волны означает вероятность приобретения ею определенного параметра при измерении (наблюдении).
Понятно, что при таком раскладе частица уже как-то более локализована в пространстве и способна проявлять свойства твердого тела, а не волны: теперь ей можно, например, врезаться в электроны, являя нам чудо фотоэффекта.
Но проблема в том, что, несмотря на хорошие вероятности ожидаемых параметров частицы, мы не можем одновременно знать ее импульс и координаты. Не в меру умный Гейзенберг (кстати, на тот момент ему было 26 лет) объяснил монстрам классической физики, что это совсем не «фигня какая-то», а фундаментальное свойство нашего мира.
И нарисовал поясняющую формулу: Δx * Δp ⩾ h, которая означает, что если мы умножим неопределенность положения частицына неопределенность ее импульса, то всегда получим число большее нуля, которое еще и связано с постоянной Планка. Проверьте сами: если мы точно знаем, где находится частица, то есть Δx=0, то выражение становится бессмысленным.
Чтобы не приводить в пример мудреные графики и формулы, вот вам демонстрация принципа неопределенности на простом опыте. Если стрелять частицами по широкой щели, то на экране позади будут появляться следы частиц примерно в окрестностях проекции щели. Но вот мы начинаем уменьшать щель, то есть загонять частицы в этот самый Δx. И что же мы видим на экране? Импульс (не забываем, что у него есть направление) становится более непредсказуемым.
Можете себе представить, как тряхануло весь ученый мир, зато остальной народ ничего не понял, так как готовился ко Второй мировой, занимался коллективизацией, пытался вылезти из Великой депрессии и т. д. и т. п. Да и сам Гейзенберг не смог отвертеться от участия в немецком ядерном проекте во время Второй мировой (но по легенде, он этот проект как мог саботировал, умничка).
Оказалось, что природа защитила свои секреты вот таким законом, который никому никогда не обойти. Мы можем узнать вероятные значения параметров частицы с заданной точностью, но никогда не предскажем точно оба параметра. Кроме того, принцип Гейзенберга распространяется не только на импульс и местонахождение — он также справедлив для энергии частицы и момента времени, когда частица этой энергией обладает.
Вот формула для самых любознательных читателей: ΔЕ * Δt ⩾ h.
Итак, мир устроен на принципиальном незнании всего одновременно. На практике ученым приходится довольствоваться некоторым компромиссом между знаниями о тех и других параметрах. Например, в кинескопах электроны с высокой точностью направляются на экран для получения изображения. Кажется, что, пуляя электронами по экрану мы попадаем с определенной энергией в определенную точку, и никакого принципа Гейзенберга здесь нет. Но дело в том, что размеры активной точки на экране, которая нам видится малюсенькой, для электрона — огромная площадь, и ему есть где развернуться в демонстрации своей неопределенности. Но если бы мы продолжили увеличивать разрешение экрана, то в какой-то момент перестали бы попадать электронами в цель в силу вышеуказанного принципа. Так что на макроуровне неопределенность Гейзенберга нам особо и не мешает, но когда дело доходит до сверхточных процессов, в коллайдерах или микроэлектронике, то там просто беда-беда.
Небольшое уточнение: кое-какие точные параметры частице все-таки разрешено иметь. Например, масса покоя или заряд. Но это, сами понимаете, такие мелочи.
Еще один пример действия квантовой неопределенности мы уже встречали в нашей статье про вакуум. Теперь стало немного понятнее, почему вакуум не может существовать с точки зрения квантовой физики: вакуум — это поле с нулевой энергией и нулевым количеством частиц. А этого одновременно быть не может, поэтому природе приходится создавать квантовую пену из виртуальных частиц, нарушающих все законы сохранения, лишь бы обойти дурацкий запрет на точное знание всех параметров.
Некоторые люди, включая даже научную братию, искренне считают, что разгадка неопределенности находится в проблеме измерения. Ведь частица это не мячик, и когда мы пытаемся измерить какое-то ее свойство, мы заставляем частицу повзаимодействовать с другой частицей (фотоном, например). Это взаимодействие, собственно говоря, и уничтожает первоначальные параметры частицы, предоставляя нам новые непредсказуемые значения. Это утверждение истинно отчасти. Измерение (наблюдение) действительно дает нам информацию, но, и это важный философский момент, оно не искажает информацию, оно ее создает. До измерения кванты вполне определены — вон летят в своих суперпозициях, во всех возможных и невозможных вариантах, хоть это и трудно представить). Наблюдение же вытаскивает в нашу макроскопическую реальность случайный вариант с каким-то параметром, причем обязательно в ущерб другому. Напоминаем, однако, что это не значит, что где-то там сидит некий Вселенский Измеритель с линейкой, и решает, что измерить в каждый момент времени — координаты или импульс).