О. Деревенский - Фокусы-покусы квантовой теории

• Название: Фокусы-покусы квантовой теории
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Квантовая теория приводит в трепет даже многих физиков. Ох, как они горды тем, что всякие там доморощенные опровергатели основ суются со своими умничаниями в самые разные области – и в классическую механику, и в электродинамику, и, в особенности, в теорию относительности – но никто не покушается на квантовую теорию! «Даже этим олухам ясно, - веселятся академики, - что без квантовой теории люди бы до сих пор жили в пещерах и бегали с каменными топорами!» Без квантовой теории, мол, не было бы лазеров – а без лазеров, девочки и мальчики, не было бы у вас таких балдёжных дискотек! Без квантовой теории, мол, не было бы понимания того, как движутся электроны в металлах и полупроводниках – а без этого понимания, девочки и мальчики, не было бы у вас ни компьютеров, ни мобильных телефончиков!

 Откуда девочкам и мальчикам знать, что всё это – шутки? Лазеры, компьютеры, мобильные телефончики – своим появлением они вовсе не обязаны квантовой теории. Эти и целый ряд других примечательных технических устройств были созданы исключительно на основе экспериментальных и технологических прорывов. А то, что называется квантовой теорией – это просто пачка изысканных математических процедур, с помощью которых задним числом описывали эмпирические факты из жизни микромира.

---

Но вернёмся в бурное начало ХХ века, когда теоретикам пришлось туго из-за простого вопроса: если свет – это полноценные частицы, то откуда же у света берутся волновые свойства? Взять хотя бы явление интерференции, когда свет падает на систему из множества параллельных щелей. То, что происходит дальше, волновая теория объясняет, ничуть не напрягаясь. Волновой фронт, проходя сквозь эти щели, дробится на множество участочков, которые становятся источниками вторичных волн. Складываясь, эти вторичные волны либо усиливают друг друга, либо, наоборот, гасят – в соответствии с разностью фаз, которая зависит от направления распространения света за щелями. Отчего на экране и получается интерференционная картинка: чередующиеся светлые и тёмные полосы. Прекрасно, но как объяснить происхождение этой картинки с квантовых позиций? По этой картинке, кстати, и судят о длине волны света. Что такое длина волны у волны – это понятно. А что такое длина волны у кванта? И если квант – полноценная частица, то он должен пролетать сквозь какую-то одну щель, а не сквозь несколько щелей сразу. Откуда же тогда взяться интерференционной картинке? Причём: чем больше щелей, тем эта картинка резче. Что же получается: квант пролетает сквозь одну щель, но каким-то образом чувствует все остальные?

Сначала попробовали обойтись здесь лихим наскоком. Мол, каждый квант проходит сквозь одну щель, но полосы получаются, когда квантов пролетает много. Вот они и взаимодействуют друг с другом. Пусть, мол, не вполне понятно, что такое длина волны у кванта, но она у него, безусловно, есть. Ну, и всё! Разные кванты проходят сквозь разные щели при разных фазах своих волн – вот и накладываются потом друг на друга, отчего и получается картинка! Да уж… до щелей-то кванты тоже друг на друга накладываются – а где же она там, картинка? И ещё: если фазы квантов при прохождении щелей распределены случайным образом – а это обычное дело при нелазерных источниках света – то из названного лихого объяснения никак не следует, что на экране получится система светлых и тёмных полос. И, чтобы дальше не трепаться зря насчёт интерференционной картинки, как результате взаимодействия квантов друг с другом, добавим вот что. Были специально поставлены опыты при сверхмалых световых потоках: кванты летели, практически, поодиночке – и нужно было долго-долго ждать, пока этих квантов пролетит достаточно для того, чтобы на результирующей фотке удалось что-нибудь разглядеть. Выяснилось: картинки, полученные при обычных световых потоках и малых временах экспозиции, идентичны картинкам, полученным при сверхмалых световых потоках и достаточно больших временах экспозиции. Вот вам и «взаимодействие квантов друг с другом»! Кстати, результаты этих опытов оказали на некоторых теоретиков жуткое воздействие. «Раз уж полосы получаются даже тогда, когда кванты летят поодиночке, - рассудили они, - то имеем право допустить, что каждый квант рисует сразу всю картинку, только очень слабенькую. А с каждым новым квантом вся эта картинка только усиливается!» Их послушать – так каждый квант размазывается на весь экран. Или – на всю фотопластинку. Дяденьки, да вы хоть раз рядом с физической лабораторией стояли? Хоть одну фотопластинку проявили? Ну, хотя бы поинтересуйтесь, что такое фотографические зёрнышки, из которых эти пластинки состоят. Чтобы зёрнышко сработало, оно должно поглотить квант целиком! Реалии таковы: каждый квант попадает в одну точку на фотопластинке – как при обычных световых потоках, так и при сверхмалых. Просто в первом из этих вариантов светлые и тёмные полосы получаются быстренько, а во втором – нужно ждать, пока они нарисуются. Из отдельных точек! Но это значит, что если квантам присущи волновые свойства, то они присущи каждому кванту в отдельности!

Дальше – больше. В оптических приборах широко используется т.н. просветлённая оптика – у которой, по сравнению с обычными линзами, меньше обратное отражение, и, соответственно, лучше пропускание. Не секрет, что нужно сделать, чтобы оптика получилась просветлённая – но при попытке разобраться, как эта штуковина работает, можно запросто свихнуться. Смотрите: на поверхность линзы, отражение от которой требуется уменьшить, наносят тонкослойное покрытие. Его толщина подбирается для света из желаемого диапазона таким образом, чтобы при отражениях волнового фронта от двух поверхностей раздела – «воздух-покрытие» и «покрытие-линза» - разность фаз соответствовала нечётному числу полуволн (две волны с такой разностью фаз гасят друг друга). И, пожалуйста, отражение уменьшается, а пропускание увеличивается! Наивно полагать, что здесь гасят друг друга кванты, отражённые от той и другой поверхности раздела. Во-первых, загасив таким образом друг друга, эти кванты должны чудесным образом перескакивать из отражённого потока в проходящий. Во-вторых, гашение-то возможно здесь лишь для синфазных квантов – а, при нелазерных источниках, фазы квантов распределены случайно… Выходит, опять же, что каждый квант индивидуально находит свой путь истинный! Но, бляха-муха, как же он это делает? Может, он умудряется отражаться от двух поверхностей сразу, в результате чего гасит сам себя и перескакивает из отражённого потока в проходящий? А, может, он и не отражается вовсе, а заранее знает, что в результате отражения назад здесь получится хренотень, поэтому он и прёт только вперёд?

«Ну, нет, - прикидывали теоретики, - квант ничего заранее знать не может. По сравнению с нами, это же полная бестолочь!» Из этой предпосылки и исходили. И с неизменным успехом получали ошеломляющие результаты. С одной стороны, на фотопластинках квант вмещался в махонькое зёрнышко. С другой стороны, при волновых явлениях квант каким-то образом взаимодействовал сам с собой – для чего он должен был быть растянут по пространству ой как сильно! Что там жалкие интерференционные кольца Ньютона, которые образуются на зазорах в несколько микрон! Лорентц обращал внимание коллег на то, что для зелёной линии ртути, при разности хода более двух миллионов длин волн, интерференция ещё возможна – т.е., «длина кванта» должна составлять не менее метра. Но ведь и это – не предел. Ширина спектра у излучения лазера на красителе фирмы «Coherent Radiation» составляет всего 15 кГц. Эквивалентная длина когерентности – 3 км. Прикиньте, сколько длин волн видимого света укладывается на этой длине. И вот, при такой разности хода, интерференция ещё возможна! Это – что касается «длины» кванта. А ведь у него ещё и «ширина» есть! Вон, если разрешение телескопа улучшается при увеличении апертуры, то придётся допустить, что поперечный размер кванта с ней сравним. «Как тогда может видеть человеческий глаз? – спрашивал Лорентц. – Зрачок пропускает лишь ничтожную долю кванта...» А ведь для воздействия на светочувствительную клетку сетчатки требуется квант целиком! Заметим: недоумение Лорентца возникло тогда, когда научно-техническим чудом считался телескоп с диаметром зеркала в один метр. Что бы Лорентц спросил про человеческий глаз сегодня, когда, например, телескоп на Зеленчукской имеет шестиметровое зеркало?

…В общем, пыхтели-пыхтели теоретики, и сошлись вот на чём: надо бы исхитриться как-нибудь так, чтобы квант оказался не только полноценной частицей, но и полноценной волной. «Это не страшно, - подбадривали они друг друга, - это можно будет трактовать как диалектический подход!» Ну, и исхитрились… не найдя ничего лучшего, кроме как использовать свой излюбленный метод – метод приписки. Взяли, да приписали кванту, короче, волновую функцию. Что такое волновая функция, они сами толком не знают – даже после грандиознейшей дискуссии о том, каков у этой функции физический смысл. Мы к этому ещё вернёмся. Навскидку, волновая функция – это математическая конструкция, якобы, помогающая теоретикам решать проблемы, которые они сами и наворотили. При допущении о том, что каждый квант является счастливым обладателем волновой функции, можно было описать и, какое хочешь, размазывание кванта по пространству, и дифракцию с интерференцией. Правда, тут же полезли новые дурацкие вопросы. Например: если квант размазан по пространству, скажем, на сто метров, как это описывает его волновая функция, то означает ли это, что и энергия кванта размазана на те же сто метров? Вопрос дурацкий, но принципиальный: «или-или». Если энергия кванта не размазана, то все разговоры о волновой функции и о её физическом смысле – это просто милый трёп. А если энергия кванта размазана, то каким же дивным образом она схлопывается в точку при поглощении кванта в фотографическом зёрнышке или в светочувствительной клетке глаза? Да кто его знает! Ответа на этот вопрос так и не выработали. Лишь придумали для такого «схлопывания» высоконаучный термин: редукция волнового пакета. А как происходит эта редукция – не придумали. «Как, как…» А вот так: раз – и всё!