Квантовая механика имеет дело с объектами микромира, с наиболее элементарными составляющими материи. Поведение их определяется вероятностными законами, проявляющимися в форме корпускулярно-волновой двойственности – дуализма. Кроме того, важную роль в их описании играет такая фундаментальная величина, как физическое действие. Естественной единицей, задающей масштаб квантования этой величины, является постоянная Планка. Она же управляет и одним из основополагающих физических принципов – соотношением неопределенностей. Это простое на вид неравенство отражает естественный предел, до которого природа может ответить одновременно на некоторые наши вопросы.
Предпосылки вывода соотношения неопределенностей
Вероятностная интерпретация волновой природы частиц, введенная в науку М. Борном в 1926 г., четко указывала на то, что к явлениям на масштабах атомов и электронов неприменимы классические представления о движении. В то же время и некоторые аспекты матричной механики, созданной В. Гейзенбергом как метод математического описания квантовых объектов, потребовали выяснения их физического смысла. Так, этот метод оперирует дискретными наборами наблюдаемых величин, представляемыми в виде особых таблиц – матриц, а их перемножение обладает свойством некоммутативности, проще говоря, A×B ≠ B×A.
Применительно к миру микрочастиц это можно интерпретировать следующим образом: результат операций по измерению параметров A и B зависит от порядка их проведения. Кроме того, неравенство означает, что эти параметры нельзя измерить одновременно. Гейзенберг исследовал вопрос о взаимосвязи измерения с состоянием микрообъекта, поставив мысленный эксперимент по достижению предела точности одновременного измерения таких параметров частицы, как импульс и координата (подобные переменные называют канонически сопряженными).
Формулировка принципа неопределенности
Результатом усилий Гейзенберга стал вывод в 1927 г. следующего ограничения на применимость к квантовым объектам классических понятий: с повышением точности в определении координаты падает точность, с которой может быть известен импульс. Справедливо и обратное. Математически это ограничение выразилось в соотношении неопределенностей: Δx∙Δp ≈ h. Здесь x – координата, p – импульс, и h – постоянная Планка. Позднее Гейзенберг уточнил соотношение: Δx∙Δp ≥ h. Произведение «дельт» – разбросов в значении координаты и импульса, – имеющее размерность действия, не может оказаться меньше, нежели «мельчайшая порция» этой величины – постоянная Планка. Как правило, в формулах используют приведенную постоянную Планка ħ = h/2π.
Вышеприведенное соотношение носит обобщенный характер. Необходимо учитывать, что оно справедливо лишь для каждой пары координата – компонента (проекция) импульса на соответствующую ось:
- Δx∙Δpx ≥ ħ.
- Δy∙Δpy ≥ ħ.
- Δz∙Δpz ≥ ħ.
Кратко соотношение неопределенностей Гейзенберга можно выразить так: чем меньше область пространства, в которой движется частица, тем более неопределенным является ее импульс.
Мысленный опыт с гамма-микроскопом
В качестве иллюстрации к открытому им принципу Гейзенберг рассмотрел воображаемое устройство, позволяющее измерять положение и скорость (а через нее импульс) электрона сколь угодно точно путем рассеяния на нем фотона: ведь любое измерение сводится к акту взаимодействия частиц, без этого частицу вообще невозможно обнаружить.
Чтобы повысить точность измерения координаты, нужен более коротковолновый фотон, значит, он будет обладать большим импульсом, значительную часть которого при рассеянии передаст электрону. Эту часть определить нельзя, поскольку фотон рассеивается на частице случайным образом (притом что импульс – величина векторная). Если же фотон характеризуется малым импульсом, то у него большая длина волны, следовательно, координата электрона будет измерена с существенной погрешностью.
Принципиальный характер соотношения неопределенностей
В квантовой механике постоянная Планка, как уже отмечалось выше, играет особую роль. Эта фундаментальная константа входит практически во все уравнения данного раздела физики. Ее присутствие в формуле соотношения неопределенностей Гейзенберга, во-первых, указывает на масштаб, в котором эти неопределенности проявляются, и, во-вторых, говорит о том, что это явление связано не с несовершенством средств и методов измерения, а со свойствами самой материи и носит универсальный характер.
Может показаться, что в действительности частица все-таки обладает конкретными значениями скорости и координаты одновременно, а неустранимые помехи в их установление вносит акт измерения. Однако это не так. Движение квантовой частицы связано с распространением волны, амплитуда которой (точнее, квадрат ее абсолютного значения) указывает на вероятность нахождения в той или иной точке. Это означает, что у квантового объекта отсутствует траектория в классическом смысле. Можно сказать, что он обладает набором траекторий, и все они, соответственно их вероятности, осуществляются при движении (это подтверждено, например, экспериментами по интерференции электронной волны).
Отсутствие классической траектории равнозначно отсутствию у частицы таких состояний, в которых импульс и координаты характеризовались бы точными значениями одновременно. В самом деле, бессмысленно говорить о «длине волны в некоторой точке», а так как импульс связан с длиной волны соотношением де Бройля p = h/λ, частица, обладающая определенным импульсом, не имеет определенной координаты. Соответственно, если микрообъект обладает точной координатой, совершенно неопределенным становится импульс.
Неопределенность и действие в микро- и макромире
Физическое действие частицы выражается через фазу волны вероятности с коэффициентом ħ = h/2π. Следовательно, действие, как фаза, управляющая амплитудой волны, связано со всеми вероятными траекториями, и вероятностная неопределенность в отношении параметров, образующих траекторию, принципиально неустранима.
Действие пропорционально координате и импульсу. Эту величину можно представить и как разность между кинетической и потенциальной энергией, проинтегрированную по времени. Короче говоря, действие – это мера того, как изменяется движение частицы за некоторое время, и оно зависит, в частности, от ее массы.
В случае если действие значительно превышает постоянную Планка, наиболее вероятной становится траектория, определяемая такой амплитудой вероятности, которой соответствует наименьшее действие. Соотношение неопределенностей Гейзенберга кратко выражает то же самое, если его видоизменить с учетом того, что импульс равен произведению массы m на скорость v: Δx∙Δvx ≥ ħ/m. Сразу становится видно, что с увеличением массы объекта неопределенности становятся все меньше, и при описании движения макроскопических тел вполне применима классическая механика.
Энергия и время
Принцип неопределенности справедлив и для других сопряженных величин, представляющих динамические характеристики частиц. Таковыми, в частности, являются энергия и время. Они тоже, как уже было отмечено, определяют действие.
Соотношение неопределенностей энергия – время имеет вид ΔE∙Δt ≥ ħ и показывает, как связаны точность значения энергии частицы ΔE и промежуток времени Δt, на протяжении которого нужно эту энергию оценить. Так, нельзя утверждать, что частица может обладать строго определенной энергией в некоторый точный момент времени. Чем более короткий период Δt мы будем рассматривать, тем в больших пределах будет флуктуировать энергия частицы.
Электрон в атоме
Можно оценить, используя соотношение неопределенностей, ширину энергетического уровня, например, атома водорода, то есть разброс значений энергии электрона в нем. В основном состоянии, когда электрон пребывает на низшем уровне, атом может существовать бесконечно долго, иначе говоря, Δt→∞ и, соответственно, ΔE принимает нулевое значение. В возбужденном же состоянии атом пребывает лишь некоторое конечное время порядка 10-8 с, а значит, обладает неопределенностью энергии ΔE = ħ/Δt ≈ (1,05∙10-34 Дж∙с)/(10-8 с) ≈ 10-26 Дж, что составляет около 7∙10-8 эВ. Следствием этого является неопределенность частоты излучаемого фотона Δν = ΔE/ħ, проявляющаяся как наличие у спектральных линий некоторой размытости и так называемой естественной ширины.
Мы можем также путем несложных вычислений, используя соотношение неопределенностей, оценить и ширину разброса координаты электрона, проходящего через отверстие в препятствии, и минимальные размеры атома, и величину его низшего энергетического уровня. Соотношение, выведенное В. Гейзенбергом, помогает в решении множества задач.
Философское осмысление принципа неопределенности
Наличие неопределенностей часто ошибочно трактуется как свидетельство полного хаоса, якобы царящего в микромире. Но их соотношение говорит нам совсем другое: всегда выступая попарно, они как бы налагают друг на друга вполне закономерное ограничение.
Соотношение, взаимно увязывающее неопределенности динамических параметров, является естественным следствием двойственной – корпускулярно-волновой – природы материи. Поэтому оно послужило основой для идеи, выдвинутой Н. Бором с целью интерпретации формализма квантовой механики – принципа дополнительности. Всю информацию о поведении квантовых объектов мы можем получать только посредством макроскопических приборов, и неизбежно вынуждены пользоваться понятийным аппаратом, выработанным в рамках классической физики. Таким образом, мы имеем возможность исследовать либо волновые свойства таких объектов, либо корпускулярные, но никогда – одновременно те и другие. В силу этого обстоятельства мы должны рассматривать их не как противоречащие, а как дополнительные друг к другу. А простая формула соотношения неопределенностей указывает нам на границы, вблизи которых необходимо подключать принцип дополнительности для адекватного описания квантово-механической реальности.
