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.

---

Конечно, вы можете оказаться одним из тех, кого не так-то просто впечатлить, и даже сейчас решите, что в этом нет ничего особенно удивительного. Быть может, само присутствие большого детектора на пути атомов каким-то образом влияет на их странное и осторожное поведение. Но все же проблема, похоже, не в этом, потому что можно выключить детектор – и лишить себя возможности узнать, через какую из прорезей проходит атом, – и на втором экране снова проявится картина интерференции. Атом остается частицей на всем протяжении своего пути только тогда, когда за ним наблюдают. Очевидно, главное тут – сам факт наблюдения.

Словно бы этого недостаточно, фокус становится еще необычнее. Даже если признать, что атомы – хитрые негодники, может оказаться, что они все же недостаточно хитры! Давайте позволим атомам проходить сквозь прорези – конечно же по одному за раз – и делать все необходимое, для того чтобы на втором экране проявилась картина интерференции. Но теперь мы точно поймаем их с поличным. В так называемых экспериментах «с отложенным выбором» можно установить детектор на место и включить его только после того, как атом пройдет сквозь прорези. Мы сможем удостовериться в этом, контролируя энергию выпускаемых атомов и таким образом понимая, сколько времени нужно любому из атомов, чтобы достичь первого экрана.

Такой эксперимент действительно проводился с фотонами, а не с атомами, но суть остается прежней. Современная высокоскоростная электроника позволяет расположить детектор достаточно близко к одной из прорезей, чтобы он сумел определить, прошел ли сквозь нее атом, но включаться этот детектор должен только тогда, когда атом, ведущий себя, как рассеянная волна, пройдет сквозь обе прорези, но еще не достигнет детектора. Конечно же, в этот момент атому будет уже слишком поздно вдруг решить вести себя, как локализованная частица, которая прошла только сквозь одну из прорезей. Но не тут-то было! В таких экспериментах картина интерференции все равно исчезает.

Что происходит? Все это напоминает магию, и я подозреваю, что вы мне не верите. Что ж, физики много лет пытались вывести логичное объяснение наблюдаемого. Здесь мне, пожалуй, стоит уточнить, что именно я подразумеваю под «логичным объяснением». Я использую этот термин в простом, обыденном смысле, имея в виду объяснение, которое полностью вписывается в рамки того, что мы считаем рациональным, разумным и осмысленным, и в то же время не вступает в противоречие или в открытый конфликт с поведением других явлений, которые мы можем наблюдать непосредственно.

На самом деле квантовая механика дает нам полностью логичное объяснение фокуса с двумя прорезями. Но это объяснение относится только к тому, что мы наблюдаем, но не к тому, что происходит, когда мы не смотрим. Однако, раз уж нам приходится отталкиваться от того, что мы можем увидеть и измерить, нам, вероятно, нет смысла просить большего. Как нам осознать истинность или допустимость явления, которое нам в принципе никогда не удастся проверить? Любая наша попытка меняет результат.

Может, я слишком много прошу от слова «логичный». В конце концов, в нашей жизни огромное количество моментов, когда мы можем назвать поведение чего-либо нелогичным или иррациональным. Все это означает, что такое поведение оказалось в некотором роде неожиданным. В целом мы должны иметь возможность анализировать поведение на основании причинно-следственных связей: что одно происходит в результате другого и так далее. Неважно, насколько сложна цепочка событий, приведших к определенному поведению, и неважно, что мы не можем полностью осознать каждый шаг. Важно то, что наблюдаемое каким-то образом может быть объяснено. Могут работать новые процессы, новые свойства или качества природы, которые еще не поняты или даже не открыты. Важно только то, что для объяснения происходящего мы можем применять логику, какой бы витиеватой она ни была.

Физикам пришлось признать, что в случае с фокусом с двумя прорезями рационального выхода не существует. Можно объяснить, что мы видим, но не почему. Какими бы странными вам ни казались предсказания квантовой механики, нужно подчеркнуть, что странная на самом деле не теория, разработанная человеком, а сама Природа, которая настаивает на столь странной реальности в микроскопическом масштабе.

Несколько лет назад я прочитал стихотворение Роберта Фроста «Другая дорога», которое американцы назвали своим самым популярным стихотворением на все времена. Фрост, который давно считается самым любимым поэтом Америки XX века, практически всю жизнь провел в Новой Англии и писал в основном о деревенской жизни сельского Нью-Гэмпшира. Несколько меланхоличная «Другая дорога» – прекрасный пример его творчества. Она также проникает – и в этом не было умысла Фроста – в самую суть того, каким должен быть квантовый мир:

В осеннем лесу, на развилке дорог,
Стоял я, задумавшись, у поворота;
Пути было два, и мир был широк,
Однако я раздвоиться не мог,
И надо было решаться на что-то.

Я выбрал дорогу, что вправо вела
И, повернув, пропадала в чащобе.
Нехоженей, что ли, она была
И больше, казалось мне, заросла;
А впрочем, заросшими были обе.

И обе манили, радуя глаз
Сухой желтизною листвы сыпучей.
Другую оставил я про запас,
Хотя и догадывался в тот час,
Что вряд ли вернуться выпадет случай.

Еще я вспомню когда-нибудь
Далекое это утро лесное:
Ведь был и другой предо мною путь,
Но я решил направо свернуть —
И это решило все остальное[3].

Хотя мы часто тяготимся сожалениями по поводу своего выбора, квантовая механика утверждает, что на субатомном уровне все совсем иначе. Когда мы встречаемся с квантовым миром впервые, он кажется нам невероятным, потому что мы судим его на основании собственных предрассудков, вынесенных из обыденной жизни, то есть на основании того, что мы называем здравым смыслом. Но квантовые объекты, без сомнения, ведут себя чуждым образом. Один атом может пройти по обеим дорогам в осеннем лесу Фроста… Атомы не печалятся о своем выборе, потому что могут одновременно проверить все возможные варианты. Они явно следуют совету великого американского бейсболиста Йоги Берры, который сказал: «Если вы нашли на дороге вилку, поднимите ее».

Квантовый лыжник. Чтобы подчеркнуть, насколько необычно поведение квантовых частиц, можно представить себе лыжника, которому необходимо обогнуть дерево, стоящее у него на пути, и который решил объехать его с обеих сторон сразу. В нашем обычном мире деревьев и лыжников это конечно же покажется просто шуткой. Но в квантовом мире это происходит на самом деле.

То, что мы увидели в этой главе, представляет собой лишь один пример проявления квантового феномена, называемого «суперпозицией». Я мог бы описать любой из множества одинаково удивительных «фокусов», основывающихся на квантовой суперпозиции, а также нескольких других поразительных чертах, уникальных для квантового мира. Надеюсь, эта глава не отпугнула вас, ведь впереди нас ждет увлекательное путешествие.

Фуллерены и эксперимент с двумя прорезями

Профессор Маркус Арндт и профессор Антон Цайлингер. Кафедра физики, Университет Вены

Мы обычно считаем физическое тело локализованным объектом, в то время как понятие волны тесно связано с чем-то более широким и нелокализованным. Вопреки распространенному мнению, квантовая физика утверждает, что оба этих, казалось бы, противоречащих друг другу понятия могут применяться к одному и тому же объекту в одном и том же эксперименте.

Недавно мы провели такой эксперимент с большими молекулами углерода, называемыми фуллеренами. Эти молекулы, известные как С60 и С70, содержат по шестьдесят или семьдесят атомов углерода, выстроенных таким образом, чтобы сформировать самую маленькую известную копию футбольного мяча диаметром не более одной миллионной миллиметра. Несмотря на маленький размер, эти молекулы на сегодняшний день представляют собой самые крупные объекты, когда-либо использованные для демонстрации волнообразной природы материи.

Эксперимент заключается в следующем. Источником молекул становится простая термокамера, заполненная угольным порошком. Молекулы пробиваются наружу сквозь отверстие подобно тому, как пар выходит из горячего чайника. Затем они пролетают сквозь две коллимирующие прорези к лазерному детектору высокого разрешения, который можно настроить таким образом, чтобы он регистрировал пространственное распределение молекулярного пучка.

По пути к детектору молекулы могут столкнуться с тремя возможными вариантами: либо препятствий не будет вообще, либо прорезь окажется очень узкой, либо решетка – мембрана с несколькими прорезями – окажется очень мелкой.