Джим Аль-Халили - Квант

• Название: Квант
• Автор: Джим Аль-Халили
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-386-12495-3

Квантовая механика – основа современной науки. И еще не было человека, который, познав ее, не испытал шок. Математически красивая, а на деле непредсказуемая теория по-настоящему расширяет сознание, разбивая в пух и прах наши бытовые представления о мире. Книга блестящего популяризатора физики Джима Аль-Халили простым и понятным языком расскажет о прошлом, настоящем и будущем квантовой механики. Читателей ждет увлекательное путешествие от философии, физики субатомных частиц и теорий больших размерностей к сегодняшнему технологичному миру лазеров и микрочипов и завтрашнему удивительному миру квантовой магии.

---

Что ж – сюрприз! – атомы ведут себя иначе. Вместо двух световых пятен мы видим картину интерференции, составленную светлыми и темными полосами, прямо как в случае со светом. И самой яркой частью экрана – хотите верьте, хотите нет – становится центр, где мы вообще не ожидали увидеть ни одного атома!

Мы можем попытаться объяснить, как это происходит. Хотя атом представляет собой крошечную локализованную частицу (в конце концов, каждый атом ударяется об экран в одной конкретной точке), потоки атомов как будто тайком договариваются друг с другом вести себя подобно волне. Атомы омывают первый экран, после чего те, которые сумели проникнуть сквозь прорези, «интерферируют» с путями друг друга посредством атомных сил таким образом, который в точности повторяет картину, получаемую при наложении друг на друга гребней и впадин двух волн. Возможно, атомы сталкиваются особым, согласованным путем и таким образом направляют друг друга на экран. Казалось бы, атомы совершенно не похожи на распространенные волны (такие как волны света и звука или водяные волны), но, вероятно, нам не следует и ожидать, что они будут вести себя в точности как песчинки.

Вот здесь земля и уходит у нас из-под ног. Начнем с того, что узор полос на заднем экране каким-то образом связан с тем, как интерферируют две волны. Как и в случае с обычными волнами, детали этой картины зависят от ширины прорезей, расстояния между ними и между экранами.

Само по себе это не является доказательством того, что атомы ведут себя подобно волнам. Однако эксперимент с двумя прорезями не только проводился с атомами, он проводился и в таких условиях, когда отдельные атомы выпускались по одиночке! Иначе говоря, новый атом выпускался только в тот момент, когда на заднем экране уже вспыхивал огонек, сигнализирующий о попадании предыдущего, и так далее. Таким образом в каждый момент времени через наш аппарат проходит лишь один атом. Каждый атом, которому удается пройти сквозь прорезь, оставляет крошечный огонек в некотором месте экрана. На практике большая часть атомов не проходит сквозь узкие прорези первого экрана, но нам интересны лишь те, которые все же пролетают сквозь них.

Наблюдаемое невероятно. Огоньков постепенно становится все больше, а там, где они располагаются особенно плотно, проявляются световые полосы картины интерференции. Между этими полосами возникают темные области, куда попадает очень мало атомов или не попадает вовсе.

Казалось бы, мы уже не можем утверждать, что атомы, пролетающие сквозь одну прорезь, сталкиваются с атомами, пролетающими сквозь другую. Картина интерференции не может быть результатом коллективного поведения. Так что тогда происходит? Особенно примечательным этот результат делает то, что на втором экране существуют области, куда атомы попадают, когда открыта только одна из прорезей. Открывая вторую прорезь, мы предоставляем атомам другой маршрут и ожидаем, что шансы на попадание атомов в эти области увеличатся. Однако, когда открыты обе прорези, атомы вообще не попадают туда. А значит, если атом действительно проходит только через одну прорезь, он должен каким-то образом понимать, открыта ли вторая, и действовать соответствующе!

Получается, что каждый атом, выстреливаемый из пушки, покидает ее в качестве крошечной «локализованной» частицы и попадает на второй экран тоже в качестве частицы, что подтверждается крошечным огоньком, который загорается, когда атом достигает места своего назначения. Но между этими событиями, в процессе прохождения сквозь прорези, с ним происходит что-то загадочное, подобное поведению распространенной волны, которая делится на две части, проходящие сквозь разные прорези и интерферирующие друг с другом по другую сторону первого экрана. Как иначе нам объяснить, как атом знает о существовании обеих прорезей?

Когда я показывал фокусы на днях рождениях своих детей – теперь мои дети стали уже слишком большими для таких глупостей, – среди гостей всегда находилась парочка умников, которые утверждали, что знают все мои секреты. Они требовали, чтобы я позволил им заглянуть к себе в рукава, за ширму и под стол, надеясь подловить меня на чем-то. Такое поведение обычно раздражает, но для научных экспериментов оно даже полезно. Так что давайте заглянем природе в рукав и притаимся за одной из прорезей, чтобы проследить, как на самом деле ведут себя атомы. Для этого можно установить за одной из прорезей детектор атомов, который ловит все атомы, проходящие сквозь нее. В результате мы увидим, что детектор время от времени будет ловить атомы, но ни разу не поймает часть атома. В ином случае мы могли бы сказать, что «оставшаяся часть атома» проходит сквозь другую прорезь. Конечно, иногда атомы будут проходить через другую прорезь и оставлять огоньки на втором экране. Само собой, распределение этих огоньков не будет показывать нам картину интерференции, потому что атомы снова будут проходить лишь сквозь одну прорезь, как и в первой части эксперимента, когда только одна прорезь была для них открыта. Вот только теперь, вместо того чтобы закрыть вторую прорезь, мы детектором поймали все атомы, которые прошли сквозь нее.

Наверное, вы уже начинаете сомневаться в истинности моих слов. Одно дело, когда атомы магическим образом превращаются из крошечных частиц в распространенные волны, встречая на своем пути два возможных маршрута прохождения сквозь первый экран. Может, здесь происходит еще не объясненный физический процесс. Однако совсем другое дело предположить, что атом каким-то образом знает о детекторе, который спрятан за одной из прорезей и готов поймать его в рассеянном состоянии. Такое впечатление, что он заранее знает, что мы лежим в засаде и караулим его, а потому он хитрит и остается в форме частицы!

Открыты обе щели, а атомы выстреливаются по одному за раз. Каждый следующий выпускается только тогда, когда на втором экране загорается огонек. Кажется, что каждый атом ударяется в произвольное место экрана и сначала нет никакого очевидного паттерна. Постепенно количество огоньков увеличивается, и мы начинаем видеть картину интерференции. Что происходит? Неужели атомы сговорились между собой, чтобы образовать эту картину, которая является результатом волнового поведения? Такое впечатление, что каждый атом с большей вероятностью ударяется в одни области, чем в другие. Очевидно, что в перемещении одного атома задействован какой-то волнообразный процесс. Но картина интерференции возникает только тогда, когда волна проходит сквозь обе прорези. Как крошечный атом, который вылетает из пушки в качестве локализованной частицы и в определенном месте ударяется о второй экран, проходит одновременно сквозь обе прорези?

Но даже здесь мы на самом деле ничего не добавили к изначальным условиям. Вероятно, детектор обладает способностью превращать рассеянную «волну» атома обратно в локализованную частицу, точно так же, как это делает второй экран, когда атом достигает его.

Детектор можно настроить и менее агрессивным образом, чтобы он просто регистрировал «сигнал», когда атом проходит сквозь наблюдаемую прорезь на пути к экрану. Если атом не регистрируется детектором, но на втором экране появляется огонек, это означает, что атом прошел сквозь другую прорезь[2]. Само собой, я говорю упрощенно: позднее мы увидим, что детектор не может зарегистрировать сигнал, не работая с должной степенью агрессивности.

Вы можете подумать, что у нас наконец появилось доказательство, что атомы проходят либо сквозь одну прорезь, либо сквозь другую, как мы по праву и ожидаем, и точно не через две прорези одновременно, подобно рассеянной волне. Но не радуйтесь раньше времени и взгляните на экран. Детектор зарегистрировал сигнал атомов, которые прошли сквозь наблюдаемую прорезь, и поэтому вы уверены, что половина прошла сквозь одну прорезь, а половина – сквозь другую, однако картина интерференции при этом пропала! Вместо нее на экране видны всего два ярких световых пятна напротив каждой из прорезей. Теперь атомы повели себя, как частицы, прямо как песчинки. Такое впечатление, что атом ведет себя, как волна, при встрече с прорезями, однако если мы следим за ним, он невинно остается крошечной частицей. С ума сойти, правда?

При добавлении детектора, который регистрирует, сквозь какую из щелей прошел атом, картина интерференции исчезает. Такое впечатление, что атомы не хотят, чтобы кто-то увидел, что они проходят одновременно сквозь обе прорези, и выбирают лишь одну из них. Две полосы, образующиеся на экране напротив прорезей, являются результатом поведения в духе частиц – такую же картину мы наблюдаем и при проведении опыта с песком.

Внизу: Детектор отключен, и мы не знаем, какой путь выбирает каждый из атомов. Теперь, когда ничто не угрожает раскрыть их тайну, атомы возвращаются к поведению в духе волн, и мы снова видим картину интерференции!