Поскольку в квантовом мире положение в пространстве не может быть точно определено, неудивительно, что подобная участь постигает и углы. В повседневной жизни нам кажется само собой разумеющимся, что объекты имеют определенную ориентацию: ваза на столе стоит вертикально, стрелка компаса указывает на север, луч прожектора обшаривает небо. Понятие направления занимает центральное место в выработанной нами мысленной модели мира. Без него представление о внешнем мире утратило бы смысл.
Но в квантовом мире, в масштабе атомов и их составных частей, недопустимо наивное толкование понятий направления и ориентации. Нельзя утверждать, что электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, в такой-то момент времени находится в данном направлении от ядра, так как положение электрона размыто. Пучок фотонов или других частиц нельзя использовать для указания направления, так как частицы не следуют четко определенным траекториям: блуждая, они ведут себя непредсказуемо.
Тем не менее на первый взгляд кажется, что одна многообещающая возможность однозначного определения направления все же существует. Мы уже упоминали, что нейтрино обладают своеобразным собственным вращением, или “спином”. Более того, это свойство присуще почти всем субатомным частицам; особенно отчетливо оно выражено у электронов и кварков. Привлекательно изобразить частицу со спином, например электрон, в виде крохотного шарика, вращающегося вокруг собственной оси, подобно Земле, совершающей суточное вращение. Чтобы такая “картинка” имела смысл, спин должен быть ориентирован в некотором направлении. Если это направление можно установить путем соответствующего измерения, то это означает, что у нас есть способ однозначного определения направления даже на квантовом уровне. Такие измерения действительно можно провести, но при этом возникает совершенно необычная ситуация.
Предположим, что экспериментатор включает прибор и сначала выбирает направление, чтобы измерить относительно него ориентацию спина частицы. На практике в качестве такого направления обычно принимают направление магнитного или электрического поля. Экспериментатор хочет определить угол между спином частицы и направлением поля. Проведя измерение, он с удивлением обнаруживает, что спин ориентирован строго по направлению поля. Эксперимент повторяется многократно, но результат всегда один и тот же: спин всегда ориентирован вдоль выбранного направления. Подозревая неладное, экспериментатор принимается менять направление внешнего поля, но спин частицы неизменно следует за его направлением. И как ни пытается экспериментатор обнаружить спин, направленный под углом к исходному направлению, у него ничего не получается. Экспериментатор в замешательстве: частица как бы читает его мысли, поскольку всегда указывает направление, которое он произвольно выбирает для отсчета.
Отчаявшись, экспериментатор прибегает к дьявольской хитрости задает два различных исходных направления, А и В, и измеряет угол между направлением спина и каждым из них. Поскольку спин частицы, по мнению экспериментатора, не может быть одновременно ориентированным в двух различных направлениях, по крайней мере в одном случае спин образует с одним из них некоторый угол. Исходя из этого, экспериментатор производит первое измерение. То, что спин ориентирован вдоль направления А, не вызывает у него удивления. Второе измерение он проводит сразу же вслед за первым, чтобы спин не успел переориентироваться. Направление В было выбрано так, что составляло угол 250 с направлением А, и экспериментатор, только что с удовлетворением установивший, что спин ориентирован вдоль оси А, естественно, ожидает, что спин будет направлен под углом 250° к оси В. Однако он с изумлением обнаруживает, что природа перехитрила его: частица каким-то образом упредила его, и ее спин, словно по волшебству, оказался ориентированным вдоль оси В! В ярости экспериментатор принимается вновь измерять угол между направлением спица и осью А и видит, что спин, как и прежде, ориентирован вдоль оси А.
Поразительные эффекты, подобные описанному, стали неотъемлемой частью современной физики, и экспериментаторы давно привыкли к тому, что спин частицы всегда направлен вдоль оси, выбранной за исходную. Это свойство сводит на нет любую попытку придать смысл понятию направления в квантовом мире. Оно также привносит в физический мир элемент странной субъективности. Если спину частицы предопределено следовать за случайно выбранным направлением отсчета, то создается впечатление, что экспериментатор как бы вторгается в микромир. Рабская покорность, с которой все частицы со спином следуют заданному экспериментатором направлению, казалось бы, наводит на мысль, что материальным миром управляет какой-то высший разум. В гл. 3 мы увидим, что подобные субъективные элементы квантовой физики требуют полного пересмотра традиционных представлений о физической реальности и роли сознания в физическом мире.
Физика частиц со спином таит немало других сюрпризов. Один из них связан с простым, на первый взгляд даже тривиальным, понятием вращения. В повседневной жизни нам всем приходилось сталкиваться о процессом вращения. Представьте себе, что вы стоите в комнате, скажем, лицом к двери. Поворачиваясь вокруг своей вертикальной оси, вы увидите перед собой все новые и новые участки стен и, повернувшись на 180°, окажетесь спиной к двери. Повернувшись еще на 180°, вы окажетесь в исходной позиции—лицом к двери,—совершив полный оборот. Мир будет выглядеть в точности таким, каким был до начала вращения. Казалось бы, что может быть проще и очевиднее?
Но в мире субатомных частиц элементарный акт вращения приводит к удивительному результату. При прохождении электрона через магнитное поле определенной конфигурации его спин может поворачиваться на все больший угол, совершив в конце концов полный оборот на 360°. Основываясь на здравом смысле, естественно ожидать, что электрон вернется в исходное состояние. Однако это не так. Свойства электрона, совершившего поворот спина 360°, заметно отличаются от свойств электрона, не подвергшегося воздействию. Чтобы вернуть в исходное состояние электрон, спин которого совершил поворот, его спин необходимо повернуть дополнительно на 360°, т.е. заставить описать два полных оборота.
Только после этого не обнаружится сколько-нибудь заметного различия между “повернувшимся” и “неповернувшимся” электронами.
Что это означает? Очевидно, что в простейшем случае необходим поворот на 720°, чтобы совершить полный оборот, т.е. вернуть мир в исходное состояние. Элементарная частица, например электрон, “ощущает” полный оборот в 720°. B мире людей и в случае крупных объектов это свойство утрачено – мы не отличаем один оборот на 360° от следующего. Следовательно, мы в некотором смысле лишь наполовину воспринимаем мир, доступный электрону.
Рис.5. Двойная проволочная петля дает весьма приблизительное представление о свойствах собственного спина. При перемещении на 360° бусина не возвращается в исходное положение – для этого необходим еще один оборот по проволоке, т.е. перемещение еще на 360°. Но на расстоянии столь тонкая особенность не заметна.
Рис. 5 дает простую иллюстрацию сказанного, на нем изображена двойная проволочная петля с нанизанной на нее бусинкой. Издали мы не можем различить два витка, и нам кажется, что проволока просто согнута в окружность. Если бусинка, скользя по проволоке, опишет угол 360°, то мы ожидаем, что она вернется в исходную точку, но приглядевшись внимательнее, обнаруживаем, что это не так. Бусинка должна совершить еще один оборот на 360°, чтобы, обойдя всю петлю, вернуться к началу своего пути.
Это странное “двойственное” представление о мире, присущее электронам и другим микрочастицам, принято считать фундаментальным свойством природы. Оно приводит к многим неожиданным, доступным наблюдению следствиям. Например, создаваемое спином электрона магнитное поле вдвое превышает магнитное поле, которое создавал бы вращающийся заряженный шарик. В дальнейшем мы увидим, что необычная геометрическая природа спина может оказаться ключом к единой теории.