Александр Китайгородский - Реникса
Итак, строго говоря, сказать «прошло пять секунд» – значит ничего не сказать. Чтобы фраза была осмысленной, надо добавить: «…с точки зрения такого-то наблюдателя». Но всё же с утверждениями о промежутках времени дело обстоит не совсем так, как с недоговоренными фразами (вроде: «Дерево видно под углом 30 градусов»), с которых мы начали этот раздел.
Недоговоренные фразы, в которых забыта относительность пространства (то есть необходимость указания, от какого места и в каком направлении отсчитываются расстояния), не несут никакой информации и полностью бесполезны.
Что же касается фразы «прошло пять секунд» то в житейской практике она имеет полный смысл. Ведь относительность промежутка времени мы способны заметить лишь в том случае, когда речь идет о явлениях, протекающих по отношению к наблюдателю со скоростями, близкими к скорости света.
Хотя время относительно, как и пространство, но при малых скоростях предположение об абсолютности времени никак не противоречит опыту.
Отсюда мораль: в утверждении об абсолютности времени заключена солидная доля истины. Лишь для быстрых движений начинает ощущаться ошибочность этого простого положения.
Мы уже повторяли много раз, что последующее развитие науки не отменяет закона природы, а может лишь ограничить область его применения. Если эти модели и гипотезы хорошо объясняют некий класс явлений, то нельзя безжалостно списывать их со счетов тогда, когда они окажутся беспомощными в описании более широкого класса явлений. Не следует шельмовать их обидными словами и тем более не стоит обвинять их авторов в глупости и ошибках. Раз модель явления приносит пользу при описании действительности, значит она содержит в себе элемент истины, то есть она, иными словами, в какой-то степени отражает мир.
Теория относительности ярким образом проиллюстрировала относительность истины и заблуждения. За этим первым уроком вскоре последовал и второй. Материалом для него послужила физика атома.
Картина строения атома была нарисована в первой четверти нашего века. В центре атома находится крошечное ядро. Около ядра движутся электроны. В каком-то смысле атом напоминает планетную систему. Физики иллюстрировали свои статьи наглядными рисунками, на которых ядра и электроны фигурировали в виде круглых телец. Зрительным образом электрона или ядра служила твердая горошинка.
Много особенностей в поведении вещества объясняла такая нехитрая модель. Ясно, что она содержала в себе долю истины. Но только долю, и, как оказалось позже, небольшую.
Представление об электронах как о горошинках было таким простым, таким ясным и наглядным, к нему так быстро привыкали, что нокаут, нанесенный этой модели открытием дифракции электронов, воспринялся очень болезненно.
Сейчас та ситуация в какой-то степени кажется странной. Сменой вех в понимании времени физики должны были быть подготовлены к необходимости сопрягать слова и дела. Описывать любое явление они должны были таким образом, чтобы их утверждения могли быть проверены на опыте в принципе, а значит, не должны были описывать детали в строении атома, будто атом ничем в принципе не отличается от сложного механизма, состоящего из рычагов и шарикоподшипников. А они это сделали. И в этом их просчет.
Конструктор может описать форму, размеры, вес, цвет и прочие свойства каждой детали своего детища. Но ведь заранее ясно, что полностью такая программа невыполнима для атома.
Если законен подход к атому как к любой машине, то почему бы не спросить: какого цвета электрон? Вопрос как будто правильно поставлен. Но на самом деле он бессмыслен. Дело в том, что цветность связана с движениями электрона. Следовательно, понятие цвета к электрону неприменимо. Говорить о цвете электрона столь же бессмысленно, как рассуждать о слаженности футбольной игры одного-единственного игрока, тренирующегося на поле.
Уже на этом примере становится ясно, что суждения, вполне содержательные по отношению к большим предметам, могут стать бессмысленными в отношении микрочастиц.
Казалось бы, вполне осмысленная фраза: «Электрон прошел через отверстие в экране в таком-то направлении и, проходя через отверстие, имел такую-то скорость».
До того как было обнаружено на опыте, что все частицы обладают волновыми и корпускулярными свойствами, ни у кого не возникло сомнения, что этими словами можно описывать поведение электрона с тем же успехом, как, скажем, поведение маленькой горошинки.
Но на рубеже второй четверти нашего века было показано, что поток электронов, проходящих через отверстия в экране, создает интерференционную картину также, как и свет.
Это касается всех элементарных частиц. У более сложных и тяжелых частиц волновые свойства становятся тем менее заметными, чем больше их масса. Когда речь идет о больших молекулах, разговор на уровне горошинок становится оправданным.
Напомним, что интерференционные картины возникают лишь в волновых процессах и демонстрируют их в школе с помощью водяной ванны. Волны на воде складываются по простому закону: если в какую-нибудь точку обе волны приходят в фазе гребня, они усиливают друг друга, а если впадина одной волны накладывается на гребень другой, то в этом месте будет ровная водяная поверхность. Впрочем, не будем описывать школьные уроки. Бросьте в пруд близко друг от друга два камня и изучайте законы сложения волн.
Поведение водяных волн превосходно моделирует интерференцию света или потока электронов. Представьте себе экран с двумя близкими отверстиями. Волна доходит до плоскости экрана, проникает сквозь отверстия, и за экраном отверстия сами становятся источниками круговых волн. На другом экране – приемнике – возникает картина из чередующихся темных и светлых полос. Светлые там, где волны усиливают друг друга, а темные в тех местах, куда они приходят в противоположных фазах.
С точки зрения волновых представлений всё ясно, всё как на ладони. Понятно и со светом – это поток электромагнитных волн, а поток электронов – это поток электронов (шариков, как мы условились). Если один электрон прошел через одно отверстие, а другой через другое, то вроде бы им не положено знать про поведение друг друга, и на экране они должны дать однотонную картину! А если они, так сказать, незнакомы, то как можно объяснить на корпускулярном языке такую согласованность в их отклонениях, которая приводит к закономерному чередованию темных и светлых полос? Ведь если одну диафрагму загородить, то интерференционная картина исчезнет! Значит, оттого, что мы мешаем электронам проходить через одну диафрагму, меняется характер их прохождения через вторую и, может быть, они сами меняются! А это уж ни в какие ворота не лезет.
Итак, нельзя объяснять интерференцию электронов, говоря об этих частицах как о горошинках. Но, с другой стороны, ведь можно же физическими приборами проследить за движением одной частички и выяснить, через какое из отверстий она прошла? Можно! А тогда получается, что и нельзя и можно говорить о частицах на корпускулярном языке. Парадокс?
Мы уже предупреждали читателя: если использовать слова и логику для рассуждения об опытных фактах, то такие противоречия не могут возникнуть. Парадоксы появляются тогда, когда мы выходим за рамки эксперимента.
Объяснить, в чем тут дело, удалось одному из величайших физиков нашего века, Нильсу Бору. Путем рассмотрения различных мысленных опытов Бор показал, что невозможно в принципе одновременно следить за траекторией частицы и наблюдать интерференционную картину. Если начнем следить за движением электрона – разрушим (размажем) интерференционную картину. Будем разглядывать чередование полос на экране – ничего не сможем сказать о том, как двигались электроны.
«Оказалось, – пишет Бор, – невозможно провести резкую границу между поведением атомных объектов самих по себе и их взаимодействием с измерительными приборами, которые определяют самые условия возникновения явлений».
Разговор об электроне как о горошинке оказался лишенным смысла. Мы не можем предложить в принципе такой опыт, который помог бы установить одновременно положение и скорость элементарной частицы. Таким образом, вопрос о том, чему равна скорость частицы, проходящей какую-то точку пространства, столь же бессмыслен, как и вопрос о том, кто ходит вниз головой – мы или наши антиподы.
Необходимо подчеркнуть, что речь идет вовсе не о незнании, а об отсутствии смысла. На отказе применять для электрона понятие траектории наука теряет столько же, сколько отказываясь от бога или от абсолютного пространства и времени, короче – от комбинаций любых слов, не имеющих отражения в реальной жизни.
Большой процент слушателей перебивает на этом месте лектора вопросом: «А как же частица движется, как она выглядит на самом деле?
Хотя мы, по сути дела, уже разбирали этот вопрос, но повторим ответ, прибегнув к небольшой перефразировке.