ИЗМЕРЕНИЯ В МИКРОМИРЕ

Гейзенберг объяснил причину инстинктивного неприятия, которое ощущается при первом знакомстве с соотношением неопределенностей. Для этого ему пришлось пересмотреть еще одну идеализацию классической физики - понятие наблюдения. Большую часть своих знаний об окружающем мире человек приобретает с помощью зрения. Эта особенность человеческого восприятия определила всю его систему познания. Практически у каждого термин «наблюдение» вызывает в сознании образ внимательно глядящего человека. Именно на уверенности что наблюдение не влияет на свойства наблюдаемого объекта основано понятие наблюдения в классической механике и астрономии. Поскольку никто не сомневался, что, наблюдая планету, мы никак не влияем на ее состояние, то в этом не усомнились и в случае других наблюдений.

Понятия «измерение» и «наблюдение» не совпадают между собой, хотя и тесно связаны. Античные философы-ученые наблюдали явления и из своих наблюдений они с помощью чистого умозрения затем извлекали следствия. Видимо, с тех пор укоренилась уверенность, что явление существует независимо от наблюдения.

Отличие нынешней физики от античной в том, что она заменила умозрение опытом. Сегодняшняя физика не отрицает, что явления в природе существуют независимо от наблюдения и от нашего сознания. Но она твердо утверждает, что объектом наблюдения эти явле­ния становятся лишь тогда, когда указан способ измерения их свойств. В физике понятия «измерение» и «наблюдение» неразделимы. Любое измерение есть взаимодействие прибора и изучаемого объекта. А всякое взаимодействие нарушает исходное состояние и прибора, и объекта. В итоге, в результате измерения получается информация, которая искажена вмешательством прибора. Классическая физика полагает, что все искажения в принципе можно учесть и по результатам измерения установить «истинное» состояние объекта, независимое от измерений. По общепризнанному сегодня мнению, что такое предположение есть заблуждение: в квантовой физике «явление» и «наблюдение» неотделимы друг от друга. Повседневный опыт убеждает нас: чем меньше исследуемый объект, тем легче нарушить его состояние. В природе мы не знаем ничего меньше квантовых объектов - атома, электрона, ядра. Определить их свойства лишь одним усилием воли мы не можем. В конце концов, нам приходится измерять свойства этих объектов с помощью их самих. В этих условиях прибор, состоящий из микрочастиц неотличим от объекта. Для иллюстрации сказанного рассмотрим следующий мысленный эксперимент.

Попробуем определить положение микрочастицы с помощью микроскопа (рис. 1). Осветим микрочастицу, находящуюся вблизи фокуса объектива и координаты Х = 0 параллельным оси Х пучком светом с длиной волны l. Для регистрации частицы в объектив должен попасть хотя бы один рассеянный фотон. Согласно критерию разрешающей способности Рэлея положение частицы определяется с точностью до Dx » l/sina, где 2a- угловая апертура (угол, под которым виден объектив из фокуса). Уменьшая l неопределенность Dx в принципе можно сделать сколь угодно малой. Но, при рассеянии импульс фотона изменяется и его проекция на ось Х (как видно из рис.1.) лежит в пределах ± h×sina/l = ±hn×sina/с. Этот импульс передается частице и соответственно неопределенность в импульсе равна Dpх » h×sina/l. Очевидно, для очень точного определения координаты частицы надо использовать высокоэнергетичные кванты с малой длиной волны, но при этом возникает большая неопределенность в определении импульса. Их произведение (Dx » l/sina)×(Dpх » h*sina/l) = h.

Рис. 1.

Почему же нельзя добиться, чтобы в процессе измерения один микрообъект незначительно влиял на другой? Дело в том, что главная особенность квантовых явлений - их дискретность. В микромире ничего не бывает чуть-чуть - взаимодействия там происхо­дят только квантом: или все, или ничего. Нельзя, сколь угодно слабо воздействовать на квантовую систему, до определенного момента она этого воздействия вообще не почувствует. Но, если величина воздействия выросла настолько, что система готова его воспринять, то она скачком перейдет в новое квантовое состояние.