Вот в чем хитрость: значение ħ крайне мало, настолько, что соотношение неопределенностей не ограничивает точность измерения для обычных объектов. Например, давайте рассмотрим мраморный шарик весом в 1 г, положение которого мы хотим измерить с точностью до 1/10 мм и скорость с точностью до 1 мм/с. Это очень хорошая точность для отслеживания движения такого объекта. Произведение ∆х m • ∆vx по-прежнему в 1024 раз (100 000 млрд млрд) больше минимального ħ/2. Вполне комфортное преимущество!
Однако одиночные атомы, атомные ядра и элементарные частицы постоянно живут на грани предела Гейзенберга. Их положение и скорость становятся размытыми понятиями и могут быть определены только статистически, например по большому количеству измерений.
Еще более странно: не только измерения координат и скоростей частиц, но и сами события, происходящие с ними, подчинены неопределенности, что впервые было продемонстрировано при изучении радиоактивного распада, открытого Анри Беккерелем в 1896 г. Некоторые атомы, найденные в природе или полученные искусственным путем, радиоактивны. Это означает, что их ядро может самопроизвольно распадаться, производя другие, как правило, более мелкие ядра и частицы. Учитывая, что даже в очень малых количествах вещества число атомов весьма велико, мы каждую секунду можем видеть распад вполне заметной их части. Но если изучать одиночный, изолированный атом, становится понятно, что из-за соотношения неопределенностей Гейзенберга, в принципе, невозможно узнать, когда он распадется.
Это расстраивает, потому как интуиция, построенная на наших чувствах, требует нахождения причины, механизма для любого события, которое мы наблюдаем. Однако никакого механизма на самом деле нет. После того как была открыта квантовая механика, ученые искали скрытый механизм, какой-то процесс, который бы контролировал распад радиоактивного атома. Казалось, что можно представить себе каждый атом запрограммированным в момент своего образования на распад через определенное время, или в атоме что-то изнашивается, ухудшая его состояние, пока он окончательно не распадется, как нить в перегоревшей лампочке накаливания.
В самом деле, это вполне могло бы быть, но никакого подобного механизма обнаружено не было. Многие различные эксперименты показали, что начало распада является чисто случайным: атом абсолютно похож на все остальные, что находятся рядом с ним… пока вдруг не случится распад! Если этот факт еще не подтвердился, вероятность того, что он произойдет в течение следующего часа, точно такая же, как и вероятность того, что данный атом должен был распасться в течение одного часа миллиарды лет тому назад.
Однако это вовсе не означает, что законы квантовой механики подвержены неопределенности. В частности, они позволяют с необычайной точностью предсказывать абсолютно достоверные значения физических свойств элементарных частиц: энергетические уровни, вероятность обнаружения, взаимодействия и др. Практические применения этих расчетов многочисленны: свойства полупроводниковых материалов для электроники, лазеров, структура молекул, химия и биохимия. И это только начало. В настоящее время ученые ищут способ создать так называемый квантовый компьютер, в котором можно было бы воспользоваться этой зыбкой нечеткостью, выполняя сложные вычисления параллельно с большим количеством частиц (электронов или фотонов), а не шаг за шагом при помощи одиночного процессора.
Нет никаких сомнений в том, что квантовая механика работает, даже если еще не все ее тайны разгаданы. Неопределенность в измерении интуитивно очевидных величин, таких как положение, скорость, время жизни, глубоко волновала многих ученых и философов. Ученые искали скрытые переменные, которые вернули ли бы на место интуитивную схему причинно-следственных связей. Эти скрытые переменные, однако, так и не нашли, но для их поиска были задуманы прекрасные эксперименты (в 1960-х гг. в работах Джона Белла), выполненные в 1980-х гг. исследователем Аланом Аспектом, после чего повторены многими другими[39]. Результаты экспериментов были однозначны: нет никаких скрытых переменных, и, несмотря на странное поведение частиц, следующих двумя путями одновременно или, кажется, заранее знающих, что мы будем делать с ними, даже прежде чем мы сами решим это, квантовая механика всегда предсказывает правильный результат.
39
Речь идет о проверке гипотезы Эйнштейна о «локальном реализме», или детерминированном поведении частиц на малом масштабе. Белл, основываясь в том числе на своей теореме, предложил две схемы экспериментов (с одним или двумя отверстиями; примерная суть этих экспериментов описывалась в главе 10) для проверки данной гипотезы. Впервые эксперимент с одним отверстием был выполнен Фридманом и Клаузером в 1972 г., но команда Алана Аспекта в 1982 г. блестяще осуществила три варианта экспериментов Белла, и эта работа получила наибольшую известность. —