Чтение онлайн

на главную - закладки

Жанры

Нейтрино - призрачная частица атома
Шрифт:

Допустим, необходимо измерить импульс электрона, чтобы в итоге выяснить, выполняется ли точно закон сохранения импульса для системы, частью которой он является. С этой целью направим пучок фотонов в направлении движения электрона. Время от времени один из фотонов сталкивается с электроном и отскакивает от него. Зная направление, в котором возвращается отскочивший фотон, и время, за которое он прошел путь туда и обратно, можно определить положение электрона в любой момент времени. Проделав такую операцию несколько раз, мы узнаем его положение в различные моменты времени и из полученных данных рассчитываем его скорость и импульс. Единственная неприятность состоит в том, что фотон имеет, вероятно, такие же размеры, как электрон, и когда он

сталкивается с электроном, тот отскакивает. Путь, который проходит электрон под обстрелом фотонов, существенно отличен от пути, который он проходил бы в отсутствие фотонов. Поэтому, хотя положение электрона в различные моменты времени известно с большой точностью, никакого представления о его скорости в отсутствие фотонов нет.

Попытаемся обойти эту трудность, используя фотоны со все меньшей и меньшей энергией, которые настолько слабы, что существенно не изменят движение электрона В этом случае можно было бы надеяться рассчитать и определить точное положение и импульс электрона К сожалению, чем меньше энергия фотона, тем больше длина его волны, а чем больше длина волны, тем реже он отскакивает от электрона. Более вероятно, что вместо этого фотон обогнет электрон и отскочит от него, если это вообще случится, совершенно в другом направлении. В результате, чем точнее определяется импульс, тем труднее становится судить о положении электрона.

В 1927 году Гейзенберг после тщательного анализа установил, что импульс любой частицы можно определить с какой угодно точностью; но чем точнее определяется импульс, тем менее точно известно положение частицы, и наоборот, чем точнее определяется положение частицы, тем менее точно определяется импульс. Гейзенберг показал, что неточность в определении импульса (которая называется «неопределенностью» импульса и обозначается р), умноженная на неточность или неопределенность положения ( x), всегда больше некоторой фиксированной величины для любой системы, будь то электрон или Солнце. Он получил соотношение

рx >= h/2,

где знак >= означает «больше или равно», (греческая буква «пи») — хорошо известная постоянная, равная приблизительно 3,14159, a h —величина, называемая постоянной Планка.Это уравнение выражает собой принцип неопределенностиГейзенберга.

Постоянная Планка, впервые полученная им в 1900 году, когда он разрабатывал теорию квантов, является очень маленькой величиной (в настоящее время принято считать ее равной 6,6256·10 – 27 эрг·сек).Величина h/2равна почти точно 10 – 27 эрг·сек.Следовательно, уравнение принципа неопределенности имеет вид

рx >=10 – 27.

Таким образом, теоретический предел точности в действительности очень мал. Теоретически — если бы имелись достаточно маленькие приборы и совершенные органы чувств — можно было бы одновременно определить положение объекта с точностью менее одной триллионной сантиметра, а его импульс — с точностью менее одной триллионной грамм-сантиметра в секунду. Такая точность измерений вполне достаточна (и даже более чем достаточна) в нашей повседневной жизни или даже в обычном микромире, где точность зависит только от нас. Однако в мире атома и субатомных частиц принцип неопределенности принципиально ограничивает точность данных, получаемых нами. В субатомном мире одна триллионная сантиметра — значительная величина, и, если электрон локализован с меньшей точностью, его положение фактически неопределенно. Если же его местоположение определено более точно, неопределенность его импульса становится соответственно больше, неточность 10 – 18 г·см/секпри определении величины импульса электрона является уже неприемлемо большой.

Когда был впервые сформулирован принцип неопределенности, многих физиков (включая и Альберта Эйнштейна) обеспокоила мысль о том, что имеется неизбежный предел наших знаний о Вселенной. Справедливость принципа неопределенности означает, что природа ведет «нечестную игру». Однако принцип неопределенности оказался очень полезным. Физики-теоретики смогли объяснить, каким образом атомы поглощают и излучают энергию, предположив, что все частицы обладают волновыми свойствами, причем чем легче частица, тем заметней эти свойства. Электрон, являющийся самой легкой частицей, должен особенно отчетливо проявлять волновые свойства, и они на самом деле были обнаружены в 1927 году (в том же году, когда был сформулирован принцип неопределенности). Раз электрон обладает волновыми свойствами, нельзя говорить о его точном положении, словно это крошечный бильярдный шарик, так как он не является таковым. Принцип неопределенности, парадоксальный, если электрон представлять в виде крошечного бильярдного шарика, стал единственной возможностью придать электронной волне какой-то смысл.

Поскольку принцип неопределенности оказался очень важным при детальном исследовании ядерного поля, я поведу свой рассказ в этом направлении, чтобы со временем вернуться к нейтрино.

Принцип неопределенности и законы сохранения

В 1930 году на конгрессе физиков в Брюсселе Эйнштейн пытался доказать ошибочность принципа неопределенности. Сделать это ему не удалось. Соображения которые он привел, чтобы доказать несостоятельность принципа неопределенности, как показал датский физик Нильс Бор, были ошибочны, и Эйнштейн, так сказать, высек самого себя.

В процессе дискуссии Эйнштейн показал, что, если принцип неопределенности верен, его можно выразить через неопределенность энергии е,умноженную на неопределенность времени t,по аналогии с соотношением Гейзенберга, т. е.

еt >= 10 – 27.

Согласно эйнштейновской версии принципа неопределенности, чем точнее мы определяем энергию системы, тем менее точно знаем момент времени, в который энергия действительно имеет это определенное значение, и наоборот.

В обычных условиях энергию системы определяют в течение достаточно длинного отрезка времени, поэтому можно в принципе определить ее с большой точностью и убедиться, что закон сохранения энергии выполняется с такой же большой точностью.

А если необходимо определить энергию системы в течение, скажем, одной триллион-триллионной доли секунды? В этом случае время нужно определить по крайней мере с такой же степенью точности, следовательно, неопределенность энергии будет очень большой. В этом случае нельзя сказать, имеет ли система такую энергию, которую она «должна» иметь согласно закону сохранения энергии, так как из-за неточности измерения энергия системы может быть значительно больше или значительно меньше истинного значения.

Предположим, школьнику запрещается в любое время неучтиво относиться к строгому учителю под страхом суровой порки. Есть ли у учителя основания считать, что мальчишка не высовывает язык каждый раз, когда он поворачивается к нему спиной? Учитель может обернуться и не увидеть высунутого языка, так как ученик спрячет язык быстрее, чем учитель повернется. Неважно, поймает учитель мальчишку или нет. Если мальчишка высунет свой язык, он нарушит правила вне зависимости от того, будет ли он пойман или нет. Значит, практически правило для школьника означает не «Быть вежливым», а «Никогда не быть пойманным за невежливость». Если учитель не заметит высунутого языка, у него не будет основания наказать мальчишку.

Поделиться:
Популярные книги

Око василиска

Кас Маркус
2. Артефактор
Фантастика:
городское фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Око василиска

Ученичество. Книга 1

Понарошку Евгений
1. Государственный маг
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Ученичество. Книга 1

Кодекс Охотника. Книга XXV

Винокуров Юрий
25. Кодекс Охотника
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
6.25
рейтинг книги
Кодекс Охотника. Книга XXV

Кодекс Охотника. Книга IV

Винокуров Юрий
4. Кодекс Охотника
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Кодекс Охотника. Книга IV

Жребий некроманта 3

Решетов Евгений Валерьевич
3. Жребий некроманта
Фантастика:
боевая фантастика
5.56
рейтинг книги
Жребий некроманта 3

Идеальный мир для Лекаря 11

Сапфир Олег
11. Лекарь
Фантастика:
фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Идеальный мир для Лекаря 11

Хочу тебя навсегда

Джокер Ольга
2. Люби меня
Любовные романы:
современные любовные романы
5.25
рейтинг книги
Хочу тебя навсегда

Здравствуй, 1985-й

Иванов Дмитрий
2. Девяностые
Фантастика:
альтернативная история
5.25
рейтинг книги
Здравствуй, 1985-й

Барон диктует правила

Ренгач Евгений
4. Закон сильного
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Барон диктует правила

Мимик нового Мира 8

Северный Лис
7. Мимик!
Фантастика:
юмористическая фантастика
постапокалипсис
рпг
5.00
рейтинг книги
Мимик нового Мира 8

Расческа для лысого

Зайцева Мария
Любовные романы:
современные любовные романы
эро литература
8.52
рейтинг книги
Расческа для лысого

Ох уж этот Мин Джин Хо 2

Кронос Александр
2. Мин Джин Хо
Фантастика:
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Ох уж этот Мин Джин Хо 2

Заход. Солнцев. Книга XII

Скабер Артемий
12. Голос Бога
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Заход. Солнцев. Книга XII

Барон не играет по правилам

Ренгач Евгений
1. Закон сильного
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Барон не играет по правилам