О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус Дю Сотой

Можно спросить: волна чего? Что тут, собственно, колеблется? На самом деле речь идет не о физическом объекте, а скорее о волне амплитуды вероятности. Точно так же «волна преступности» – это не волна из преступников, а информация о вероятности совершения преступлений в определенном районе. Волна – это просто математическая функция, а математическая функция подобна машине или компьютеру: в нее вводят информацию, а она вычисляет и выдает ответ. В волновую функцию электрона вводят область пространства, а на выходе получают вероятность обнаружения электрона именно в этой области. Как ни странно, такую частицу следует считать вовсе не физическим объектом, а изменяющейся математической конструкцией. Ее называют волновой функцией, потому что многие черты функций, описывающих такие вероятности, совпадают с характеристиками классических волновых функций. Гребни и впадины содержат информацию о возможном местоположении электрона. Чем больше амплитуда волны, тем выше вероятность обнаружить электрон в данной области пространства.

Квантовая волна: чем выше волна, тем больше вероятность обнаружить электрон в данной точке пространства

Итак, поведение электрона описывает волна, и, когда такая волна сталкивается с экраном, в котором прорезаны две щели, взаимодействие с экраном изменяет ее. В результате получается новая волна, свойства которой и создают ту странную интерференционную картину, которую я наблюдаю на пластине детектора. Именно в момент обнаружения электрон решает наконец, в какой точке пластины он будет находиться. Волновая функция дает вероятность нахождения электрона в том или ином месте, но в момент обнаружения жребий оказывается брошен и вероятность сменяется определенностью. Волны больше не существует, и электрон снова выглядит частицей, попадающей в одну-единственную точку пластины детектора. Однако при каждом повторении этого опыта электрон может появляться в каких-нибудь других местах. Чем больше мы направляем на экран электронов, тем большая статистика, закодированная в волнах, становится видна по мере проявления картины распределения обнаруженных электронов. Но физика утверждает, что предсказать, в какой именно точке пластины в каждом отдельном случае будет обнаружен очередной электрон, невозможно.

Интересно было бы вернуться к исходному опыту Юнга со светом, но интерпретировать его в свете (прошу прощения за каламбур) сделанного Эйнштейном открытия частиц, составляющих свет, – фотонов. Уменьшая интенсивность источника света в опыте Юнга, можно дойти до такой низкой энергии излучения, которая будет соответствовать испусканию в экран с двойной щелью одиночных фотонов.

Как и электрон, фотон, попадающий на фотопластинку, оставляет на ней единственный точечный след, соответствующий его корпускулярной природе. А что происходит с интерференционной картиной Юнга? Нечто удивительное. Если продолжать обстреливать экран с двойной щелью одиночными фотонами, то через некоторое время накапливающиеся на фотопластинке светлые точки постепенно начинают образовывать все ту же интерференционную картину. То, что наблюдал Юнг, не было результатом падения на пластинку непрерывной волны – это была иллюзия. На самом деле картина состояла из миллиардов и миллиардов пикселей, каждый из которых соответствовал обнаружению одного фотона. Чтобы дать представление о числе фотонов, попадавших на пластинку, можно сказать, что стоваттная лампочка испускает около 1020 (то есть ста миллиардов миллиардов) фотонов в секунду.

Волновые характеристики света аналогичны свойствам электрона. Волна есть математический объект, определяющий вероятное местоположение фотона на момент его обнаружения. Волновая природа света означает, что он представляет собой не колеблющуюся волну, подобную волнам на воде, а волнообразную функцию, содержащую информацию о том, где можно будет найти фотон после его обнаружения. До того как он попадет на пластину детектора, он, как и электрон, по-видимому, проходит одновременно через обе щели и принимает решение о своем положении в пространстве только в момент наблюдения.

Именно эта концепция наблюдения делает квантовую физику такой странной. Пока я не потребую от детектора определить, где находится электрон, эту частицу следует считать вероятностно распределенной по пространству, причем распределение такой вероятности описывается математической функцией, обладающей волновыми свойствами. Воздействие двойной щели на эту математическую функцию изменяет ее таким образом, что электрон не может попасть в некоторые точки пластины детектора. Но, как только частица будет обнаружена, жребий будет брошен – и волне вероятности придется выбрать положение данной частицы.

Я помню то Рождество, когда я впервые прочитал об этой сумасшедшей истории, в которой что-то может оказаться сразу в нескольких местах. Помимо игрушек и сластей Дед Мороз оставил для меня под елкой книжку с забавным названием «Мистер Томпкинс в мягкой обложке»[56], написанную физиком Георгием Гамовым. В ней рассказывается история попыток мистера Томпкинса выучить физику на вечерних лекциях, которые читает известный профессор. Беда в том, что посреди лекции мистер Томпкинс неизменно засыпает.

В его снах микроскопический квантовый мир электронов увеличивается до макроскопических размеров, и мистер Томпкинс оказывается в квантовых джунглях, полных тигров и обезьян, которые одновременно находятся в нескольких разных местах. Когда на мистера Томпкинса нападает большая стая несколько размытых тигров, профессор, сопровождающий его в снах, выпускает по ним множество пуль. Одна из пуль попадает в цель, и стая тигров внезапно превращается в одного-единственного «наблюдаемого» тигра.

Помню, как меня очаровал этот фантастический мир и еще больше взволновало то обстоятельство, что он не был таким уж фантастическим. К тому времени я начал было сомневаться в существовании Деда Мороза, учитывая, что за одну ночь он должен посетить миллиард детей по всему миру, но эта книга восстановила мою веру. Конечно же Дед Мороз использует квантовую физику! Если его никто не наблюдает, он может одновременно находиться во множестве разных каминных труб.

Чтобы подчеркнуть ту странную роль, которую играет наблюдение, можно вернуться к опыту с двойной щелью и поставить на одной из щелей детектор, чтобы попытаться подглядеть, в какую именно щель «на самом деле» проходит электрон. В этом случае интерференционная картина исчезает. Акт определения щели, через которую пролетает электрон, изменяет природу описывающей его волновой функции. Теперь на пластине детектора видны два светлых участка, расположенных напротив щелей, – никакой интерференции. Моя попытка познания изменяет поведение электрона.

В качестве возможной, хотя и не вполне честной аналогии можно представить себе антрополога, наблюдающего ранее неизвестное племя индейцев Амазонки. Его наблюдение неизбежно изменяет поведение индейцев. Наблюдать без взаимодействия с племенем и без какого-либо влияния на его поведение невозможно. В случае электрона это еще более очевидно. Чтобы узнать, через какую щель он пролетает, на него нужно «посмотреть», но для этого с ним необходимо провзаимодействовать. Например, в таком взаимодействии может быть использован световой фотон, отражающийся от электрона и возвращающийся в детектор. Но такой фотон обязательно производит некоторое изменение энергии, импульса или положения электрона. Он не может взаимодействовать без какого-либо изменения. Собственно говоря, такое взаимодействие может быть не таким явным, как отражение фотона от электрона. Оно может быть и более тонким. Если детектор, установленный на одной из щелей, не обнаруживает электрона, из этого можно заключить, что он прошел через вторую щель. Но никакого отражения фотона от электрона в этом случае не происходит. Такое измерение положения электрона происходит без взаимодействия.