От макромира к микромиру

Приведенные примеры показывают, что при любых измерениях необходимо учитывать искажения, вносимые приборами. Как сделать эти искажения ничтожно малыми? Проблема во всех выше приведенных примерах чисто техническая, а не физическая. При постановке задачи любого измерения необходимо оценивать искажения и создавать приборы, вносящие пренебрежимо малые искажения. Такая ситуация характерна для классической физики - ньютоновской механики, термодинамики, электродинамики. Совершенно иная ситуация возникает в физике микромира, т. е. при измерениях в мире атомов, молекул и элементарных частиц.

Вернемся к примеру с измерением толщины стебелька одуванчика. Чтобы определить эту величину, вовсе не обязательно сжимать стебелек. Достаточно сделать хорошую фотографию и провести измерение по этой фотографии. При таком подходе мы, казалось бы, совершенно не влияем на стебелек. То же самое характерно для любых визуальных измерений расстояний. Все подобные эксперименты используют свет. Но свет, как вы знаете из курса физики, лишь частный случай электромагнитных волн. Человек научился применять для измерения расстояний и скоростей и другие типы электромагнитных волн, например радиоволны.

Влияют ли такие измерения на движения самого объекта? Известно, что электромагнитная волна переносит импульс. Из этого факта следует, что падающая на объект волна оказывает на него давление. Однако для макроскопических объектов такое давление оказывается пренебрежимо мало. Поэтому измерение координат и скоростей макроскопических объектов можно производить с достаточно высокой точностью, не влияя на их движение. Например, используя систему радиолокаторов, можно одновременно следить за движением многих автомобилей, участвующих в автогонках.

Иная ситуация возникает, если мы захотим проследить подобными методами движение микрочастиц, например движение электронов в атоме. Импульс микроскопического объекта существенно меньше, чем импульс автомобиля, поэтому влияние электромагнитной волны на него оказывается гораздо более значительным. Можно ли использовать в таком случае более слабую (менее интенсивную) волну? Оказывается, что здесь существенные ограничения дает квантовая теория - теория, изучающая процессы в микромире. Некоторые положения этой теории вы изучали в курсе физики.

Квантовая теория утверждает, что электромагнитная волна есть совокупность фотонов. Если длина волны фотона много больше размеров атома, фотон «не замечает» атома, следовательно, не может дать нам информацию об атоме. В противном случае фотон разрушает (ионизирует) атом.

Из этого, в частности, следует, что бессмыслено говорить об орбите электрона в атоме. Это модельный образ. У нас просто нет (и не может быть) средств, чтобы проследить за движением электрона по орбите.

Все сказанное о движении электрона в атоме можно отнести и к движению частиц, входящих в состав живых организмов. Мы не можем выявить детали такого движения, не нарушая процессов, происходящих в организме. Это является одной из причин сложности исследования такого рода процессов.

Движение микрочастиц (атомов, молекул, электронов) таково, что при измерении каких-либо параметров этого движения возникает значительное влияние на характер самого движения, и это влияние принципиально не может быть малым.

В настоящее время методы радиолокации - измерение расстояний и скоростей объектов при помощи радиоволн - широко используют для самых различных целей. Принцип метода очень просто. Радиопередатчик радиолокатора посылает радиоволну в направлении объекта, а радиоприемник радиолокатора принимает волну, отраженную от объекта. Умножив время прохождения волны до объекта и обратно на скорость света, мы получим удвоенное расстояние от радиолокатора до объекта. Электронное устройство автоматически измеряет промежуток времени и делает расчет расстояния. Произведя такие действия в два близких момента времени, мы можем определить скорость объекта по обычной формуле v = ΔS/Δt, где Δt - время между измерениями, а ΔS - величина, на которую изменилось расстояние до объекта за это время.

Согласно квантовой теории любая электромагнитная волна представляет собой поток фотонов. Энергия фотона связана с частотой волны соотношением E = hv, а импульс - с длиной волны соотношением p = h/λ, где h - постоянная Планка. Из этого положения следует, что импульс волны (с заданной длиной) нельзя сделать сколь угодно малым , минимальный импульс волны - это импульс одного фотона.

Размер атома имеет порядок величины 10-10 м, поэтому необходима волна с длиной меньше чем 10-11. Учитывая, что постоянная Планка в системе СИ имеет порядок величины 10-33, получим, что соответствующий фотон имеет импульс порядка 10-22. (Для сравнения: автомобиль массой 500 кг, движущийся со скоростью 72 км/ч, имеет импульс 104.) Электрон в атоме, обладая малой массой, имеет импульс по порядку величины как раз равных 10-22. Таким образом, воздействие одного фотона с данной длиной волны на электрон было бы столь же катастрофическим, как столкновение автомобилей, движущихся навстречу друг другу. Подобный радиолокатор просто вырвал бы электрон из атома.

Любой прибор, помимо выполнения функций, для которых он предназначен, неизбежно оказывает побочное влияние (часто вредное), например электрообогреватель с открытой спиралью. Обогревая комнату, он также насыщает ее ионами тяжелых металлов, вредных для здоровья.

Читать далее