Квант. Путеводитель для запутавшихся

Что видишь, то и получишь

В нашем обычном мире макроскопических объектов я принимаю на веру, что любой объект является именно тем, чем он мне кажется. Естественно, я подразумеваю при этом, что могу доверять собственным глазам и не нахожусь под действием галлюциногенных препаратов, а освещение вполне достаточно. Действительно, чтобы я увидел какой-либо объект, этот объект должен либо испускать свет, либо – что более вероятно – отражать его, чтобы он попал мне в глаза. Затем изображение, которое формируется у меня на сетчатке, интерпретируется моим мозгом.

Но вам не приходило в голову, что посредством отражения света от объекта мы возмущаем этот объект и тем самым едва заметно изменяем его, к примеру, нагревая его на крошечную долю градуса или заставляя его чуть отступить от своего изначального положения? Само собой, когда я смотрю на стол или на машину – или даже на клетку под микроскопом, – столкновение фотонов света не дает никакого эффекта, который мне под силу измерить. Однако, когда мы имеем дело с квантовыми объектами, которые сами сравнимы по размерам с фотонами, все совершенно иначе. Вспомните школьную физику и третий закон Ньютона: любому действию есть равное и противоположное противодействие. Чтобы «увидеть» электрон, нам нужно, чтобы от него отразился фотон. Но когда мы засечем этот фотон, электрон уже не будет в том месте, где он был бы, не случись столкновение.

Это неизбежное возмущение квантовой частицы при наблюдении часто используется для описания проблемы измерения в квантовой физике и даже легло в основу принципа неопределенности Гейзенберга. Здесь мы имеем дело не только с чрезмерным упрощением, но и с ошибочным суждением, так как перед нами тотчас возникает картина классических шариков, отталкивающихся друг от друга. Хотя эта картина очень важна для доказательства корпускулярной природы света, как мы видели в Главе 2, когда я описывал фотоэлектрический эффект и эксперименты Комптона с рассеянием, в которых он применял фотоны рентгеновских лучей и электроны, она ничего не сообщает нам об истинной квантовой природе фотонов и электронов.

Тем не менее возмущение объекта посредством измерения какого-либо его параметра понять несложно. Вот еще один простой пример. Я определяю температуру воды в ванной, используя термометр. Сначала некоторое количество тепла перейдет на термометр, чтобы он нагрелся до температуры воды, однако эта крошечная потеря тепла вряд ли повлияет на температуру воды (в конце концов, она теряет гораздо больше тепла, нагревая окружающий воздух, чем термометр). Но при измерении температуры воды в маленькой пробирке посредством погружения туда термометра произойдет относительно большой теплообмен, если только термометр заранее не нагрет до температуры воды. Следовательно, после погружения термометра в воду мы не сможем выяснить ее точную температуру до этого.

Таким образом, чтобы узнать что-либо о системе, нам необходимо провести измерения, но при измерении мы часто вносим в систему изменения, которых невозможно избежать, поэтому в итоге мы оказываемся не в силах постичь ее истинную природу. В макроскопическом мире эту проблему, как правило, можно обойти, но на квантовом уровне все иначе.