3.4. Принципы дополнительности и неопределенности

В классическом естествознании господствовал принцип детерминизма: от научного описания требовалась полная определенность. При изучении микромира физики столкнулись с невозможностью такого детерминированного описания. Оказалось, что в одних экспериментах электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, т.е. ведут себя подобно частице, а в других – проявляют волновые свойства. Любой детектор регистрирует их как частицы, как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства. С другой стороны, все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства в явлениях интерференции и дифракции: подобно волнам огибают препятствия и проходят сразу через несколько щелей дифракционной решетки. Иными словами, у микрообъектов совмещаются корпускулярные и волновые свойства. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Н. Бор, рассматривая этот феномен, сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности: в связи с тем что микрочастицы в одних экспериментах проявляются как частицы, в других – как волны, для более полного описания их поведения следует использовать законы и из волновой, и из квантовой теории.

Первоначально сформулированный применительно к микромиру принцип дополнительности рассматривался Н. Бором как общее правило: «Мы встречаемся здесь с иллюстрацией старой истины, что наша способность анализировать гармонию окружающего мира и широта его восприятия всегда будут находиться во взаимно исключающем, дополнительном соотношении». Различные подходы к изучаемому объекту взаимодополнительны, и ни одна теория не может быть исчерпывающей.

Частным выражением принципа дополнительности является принцип (соотношение) неопределенности. В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг, анализируя закономерности изменения координаты и импульса электрона, пришел к заключению о том, что невозможно одновременно точно определить координату частицы и величину ее импульса. Это можно сделать лишь с приближением, допускающим неопределенность в значениях координат ∆x, ∆y, ∆z и неопределенность ∆р_x, ∆р_y, ∆р_z в значениях составляющих импульса. Произведение этих неопределенностей не может быть меньше постоянной Планка ħ:

∆x∆р_x ≥ ħ.

Чем точнее определен импульс, тем неопределеннее будет значение координаты, и наоборот. Так же соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого кроется во взаимодействии прибора с объектом измерения. В процессе исследования любое наблюдение или измерение подразумевают взаимодействие между наблюдателем и объектом. Это взаимодействие в физике происходит через посредника – прибор. В случае макротел эксперимент достаточно легко поставить так, чтобы он не искажал изучаемого явления, чтобы взаимодействие прибор-объект было сведено к минимуму. При исследовании микрочастиц положение осложняется. Если масса изучаемого объекта очень мала, то давлением света уже нельзя пренебрегать. После определения координаты частица может поглотить квант света и радикально изменить свое состояние, при этом мы теряем способность определить ее скорость.

Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, по словам Гейзенберга, наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. Сам измерительный прибор влияет на результаты измерения. Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.