Можно было бы продолжать в том же духе. Если вы совершаете измерение в течение 100 секунд, вы можете измерить частоту падения капель с точностью 1 капля за 100 секунд. Если вы совершаете измерение в течение 1000 секунд, вы можете измерить частоту падения капель с точностью 1 капля за 1000 секунд. Во всех этих случаях произведение интервала времени, в течение которого вы производите измерение, и точности, с которой вы измеряете частоту, примерно равно 1[72]. Для более точного измерения частоты требуется большее время. Это утверждение лежит в основе соотношения неопределенностей между временем и энергией. Вы можете более точно измерить частоту, но для этого нужно проводить измерения дольше. Произведение времени и неопределенности в частоте всегда порядка 1[73].

Чтобы завершить вывод нашего упрощенного соотношения неопределенностей, заметим, что если вы рассматриваете достаточно простую квантово-механическую систему, например отдельный фотон, ее энергия будет равна постоянной Планка h, умноженной на частоту. Для такого объекта произведение интервала времени, в течение которого вы производите измерения энергии, и неточности в энергии всегда будет превышать h. Вы можете измерить энергию системы с любой желаемой точностью, но ваш эксперимент будет длиться соответственно большее время. Это то же самое соотношение неопределенностей, которое мы только что вывели; дополнительный трюк — всего лишь соотношение квантования, связывающее энергию и частоту.

Два важных значения энергии и что о них говорит соотношение неопределенностей

Мы почти завершили наше введение в основы квантовой механики. В этом и следующем разделах мы рассматриваем два оставшихся элемента квантовой механики, которые будут использоваться в дальнейшем.

В этом разделе не содержится никаких новых физических принципов, а представлено одно важное приложение соотношения неопределенностей и специальной теории относительности. Рассматриваются соотношения между двумя важными значениями энергии и наименьшими масштабами длины физических процессов, которые могут чувствовать частицы с такими энергиями. Физики каждодневно используют эти соотношения. В следующем разделе мы введем спин, бозоны и фермионы — понятия, которые появятся в следующей главе, посвященной Стандартной модели физики частиц, и далее, когда мы будем рассматривать суперсимметрию.

Соотношение неопределенностей для положения и импульса утверждает, что произведение неопределенностей положения и импульса должно быть больше, чем постоянная Планка. Оно утверждает, что нечто, будь то пучок света, частица или любой другой объект или система, которые вы можете представить, чувствительное к физическим процессам, происходящим на малых расстояниях, должно включать большой интервал импульсов (так как неопределенность импульса должна быть весьма велика). В частности, любой объект, чувствительный к таким физическим процессам, должен включать очень большие импульсы. Согласно специальной теории относительности, когда велики импульсы, то велики и энергии. Комбинация этих двух фактов указывает, что единственный способ исследования малых расстояний — использование для этого больших энергий.

Другой способ объяснения — сказать, что большие энергии для изучения малых расстояний нужны нам потому, что в физических процессах на малых расстояниях участвуют только частицы, волновые функции которых меняются на малых расстояниях. Так же как Вермеер не смог бы написать свои картины с помощью кисти шириной два дюйма, и так же как вы не можете видеть мелкие детали, если у вас плохое зрение, частицы не могут быть чувствительными к физическим процессам на малых расстояниях, если их волновые функции не меняются на очень малых масштабах. Но, согласно де Бройлю, частицы, волновые функции которых включают малые длины волн, обладают большими импульсами. Де Бройль утверждал, что длина волны частицы-волны обратно пропорциональна ее импульсу. Поэтому соотношение де Бройля вынуждает нас заключить, что для анализа физических явлений на малых расстояниях нужны частицы с большими импульсами, а следовательно, и большими энергиями.

Этот вывод имеет важные следствия для физики частиц. Только частицы больших энергий чувствуют явления, связанные с физическими процессами на малых расстояниях. Рассмотрим на двух конкретных примерах, насколько большие энергии подразумеваются.

Физики-частичники часто измеряют энергию в числах, кратных электрон-вольту (сокращенно эВ). Один электронвольт равен энергии, требуемой для движения электрона в поле с разностью потенциалов 1 В (такую разность потенциалов создает слабенькая батарейка). Я буду далее использовать производные единицы гигаэлектронвольт (ГэВ) и тераэлектронвольт (ТэВ); 1 ГэВ равен 1 миллиарду эВ, 1 ТэВ равен 1 триллиону эВ.

Физики-частичники часто находят удобным использовать эти единицы для измерения не только энергии, но и массы. Это можно сделать, так как соотношения между массой, импульсом и энергией в специальной теории относительности показывают, что эти три величины связаны друг с другом скоростью света — константой, значение которой равно с = 299 792 458 м/с. С помощью скорости света можно перевести данную энергию в массу или импульс. Например, знаменитая формула Эйнштейна Е = тс2 означает, что с каждой конкретной энергией связана определенная масса. Так как каждый знает, что переводной коэффициент равен с2, его можно убрать, и выразить все массы в единицах эВ. В таких единицах масса протона равна примерно 1 миллиарду эВ или 1 ГэВ.

Такой перевод одних единиц в другие аналогичен тому, что вы делаете каждый день, говоря, например, кому-то: «Станция в десяти минутах от нас». Вы предполагаете известным конкретный переводной коэффициент. Расстояние может быть равным одному километру, что соответствует десяти минутам ходьбы пешком, или двадцати километрам, что соответствует десяти минутам езды по скоростной дороге. Между вами и вашим собеседником существует негласная договоренность о согласованном переводном коэффициенте.

Эти соотношения специальной теории относительности в сочетании с соотношением неопределенностей определяют минимальный пространственный размер физических процессов, который может исследовать или детектировать волна или частица определенной энергии или массы. Применим эти соотношения к двум очень важным в физике частиц энергиям, которые часто будут появляться в последующих главах (рис. 46).

Первая энергия, известная как характерная энергия слабых взаимодействий, равна 250 ГэВ. Физические процессы при этой энергии определяют ключевые свойства слабого взаимодействия и элементарных частиц, наиболее интересным из которых является механизм приобретения частицами массы. Физики (включая меня) ожидают, что, когда мы исследуем эту область энергии, обнаружатся новые явления, предсказываемые пока что неизвестными физическими теориями, и мы узнаем много нового о фундаментальной структуре материи. К счастью, эксперименты уже близки к исследованию области характерной энергии слабых взаимодействий и вскоре смогут рассказать нам все, что мы хотим знать.