Квант. Путеводитель для запутавшихся

«Объяснение» фокуса с двумя прорезями

Теперь вы знаете о квантовой механике достаточно, чтобы понять, что происходит в эксперименте с двумя прорезями. Может, вам это и не нравится, но я уже упоминал, что это вполне естественная реакция, которая к тому же отражает ваш рост и свидетельствует о постепенном принятии вами нелогичной природы обсуждаемых явлений. Заключения квантовой механики и не должны казаться вам логичными.

Как думать о фокусе с двумя прорезями с участием атомов. Когда атом вылетает из пушки, его волновая функция локализована в пространстве, но по дороге к прорезям она распространяется. Фактически контурные кривые изображают не саму волновую функцию, а вероятностное распределение, хотя визуализировать эту величину гораздо сложнее даже с математической точки зрения. Кривые здесь интерпретируются точно так же, как контурная карта гористой местности: внутренние контуры означают самую высокую вероятность обнаружения атома. Достигнув прорезей, волновая функция начинает одновременно проходить сквозь обе. По другую сторону экрана две части волновой функции формируют суперпозицию, вероятностное распределение которой выглядит существенно иначе (из-за интерференции двух частей). К тому времени как волновая функция достигает экрана, распределение становится таким, что атом с высокой вероятностью достигает одного места, не имея при этом вероятности достичь остальных. Хотя конкретный атом проявляет себя только в одном месте, статистически большое число атомов, обладающих одинаковым вероятностным распределением, в итоге составит наблюдаемую картину. Важно заметить, что на этом рисунке изображена всего лишь временная эволюция математической величины, а не физического атома. Большинство физиков утверждают, что неверно считать волновую функцию и атом отдельными физическими сущностями. Следовательно, вопрос о том, как ведет себя атом по достижении прорезей, остается открытым. Различные решения этой проблемы мы обсудим в Главе 6.

Каждый атом, испускаемый в сторону прорезей, описывается волновой функцией, которая со временем видоизменяется. Эта волновая функция имеет вероятностную природу и сообщает нам лишь вероятное положение атома. Здесь очень важно подчеркнуть, что, хотя мы и не можем считать, что крошечный атом вдруг превращается в развернутую волновую функцию, волновая функция дает нам единственный способ отследить атом с момента его вылета из пушки до момента достижения им конкретной точки на втором экране.

По достижении прорезей волновая функция – будучи распространенной – разделяется надвое, и каждая из ее частей проходит сквозь одну из прорезей. Обратите внимание, что здесь я описываю, как изменяется математическая величина, а путем решения уравнения Шрёдингера я могу сказать, как волновая функция выглядит в каждый конкретный момент времени. Я точно не знаю, что именно происходит, и даже не могу сказать наверняка, что что-то происходит вообще, так как для проверки мне нужно установить наблюдение, а любое наблюдение изменяет итоговый результат.

Проходя сквозь обе прорези, волновая функция атома представляет собой суперпозицию двух частей, каждая из которых обладает самой большой амплитудой в соответствующей прорези. Если бы состояние атома описывалось только одной из этих частей волновой функции, мы бы сказали, что он точно прошел через соответствующую ей прорезь. Однако на самом деле суперпозиция двух частей означает, что существует равная вероятность его прохождения сквозь любую из прорезей.

По другую сторону прорезей каждая часть волновой функции снова распространяется и оба набора волн накладываются друг на друга таким образом, что по достижении экрана их совокупный эффект дает характерную полосатую картину, которую мы видим при интерференции двух настоящих волн. Только теперь мы имеем дело не с реальной волной, которая накатывает на экран, а с набором чисел, которые дают нам вероятность появления отдельной частицы в конкретном месте.

Пока частица не ударилась об экран, для описания реальности у нас есть только волновая функция. Эта волновая функция не является собственно атомом, а представляет собой лишь наше описание поведения атома в то время, пока мы за ним не наблюдаем. Она также дает нам всю информацию, которую мы можем надеяться получить о состоянии атома, если бы нам нужно было на него взглянуть. Следовательно, учитывая, что мы имеем дело лишь с тем, как выглядит волновая функция в каждый конкретный момент времени, и в соответствии с правилами используем ее, чтобы рассчитать вероятность нахождения атома в определенном месте и обладания им определенными свойствами, мы без проблем можем работать с ней. Так поступают практически все физики. Это связано с тем, что они отчаялись выяснить, что именно происходит на самом деле, используя идеи, основанные на механике Ньютона.

Вероятно, вам этого мало. В конце концов, очень легко забыть об атоме, когда мы на него не смотрим и имеем дело лишь с математикой, но факт остается фактом: крошечная локализованная частица вылетает из атомной пушки, каким-то образом на время перестает вести себя, как частица, а затем снова появляется в виде частицы на втором экране. Понять маршрут ее движения можно, только представив волну, которая проходит сквозь обе прорези одновременно. Мы можем надеяться лишь отследить продвижение атома с помощью волновой функции. Но картина интерференции, которая возникает на экране, после того как множество атомов пройдет сквозь прорези, достаточно реальна. Само собой, сквозь прорези проходит какая-то физическая волна.

Проблема здесь заключается в том, что вы хотите, чтобы я объяснил, как атом проходит сквозь обе прорези, используя образы и идеи, знакомые вам из повседневной жизни. К сожалению, это невозможно. Нравится нам это или нет, такое странное поведение представляет собой особенное свойство квантового мира, которое нам необходимо принять, как бы сложно ни было в него поверить. Это действительно происходит и, хотя мы и имеем право ожидать рационального объяснения, его еще не найдено. Многие физики утверждают следующее: мир атомов и более мелких частиц настолько далек от нашего повседневного опыта в макроскопическом мире, что мы не вправе ожидать, чтобы его можно было описать при помощи привычных нам идей. Понимаю, пользы от этого заявления мало – оно вообще похоже на отговорку. Поведение атома должно нас беспокоить. Но многие из величайших физиков полагают, что раздумывать о нем опасно и бесполезно, а потому лучше оставить это философам, которым все равно больше нечем заняться!

Некоторые физики могут раскритиковать нетехническую книгу вроде этой, поскольку акцент в ней делается на загадочности квантовой механики, а не на ее точности и применимости при объяснении множества феноменов. Что ж, всему свое время. Возвращаясь к фокусу с двумя прорезями, почему я не могу просто сказать, что атом каким-то образом ведет себя как распространенная волна, когда проходит сквозь две прорези, и покончить с этим? В конце концов, если атомы действительно ведут себя именно так, пусть так оно и будет. В ответ тем физикам, которые утверждают, что волноваться из-за квантовой механики не стоит, я хочу сказать, что они просто стали невосприимчивыми к сущности квантовой механики из-за слишком близкого знакомства с нею!

Теперь я кратко опишу устройство под названием интерферометр, которое подчеркивает идею суперпозиции (квантовой системы, которая находится в двух состояниях одновременно) в самой что ни на есть чистой и поразительной форме. Мы более не можем небрежно считать, что атом ведет себя, как физическая волна, когда мы не смотрим на него. Вместо того чтобы выпускать атомы в направлении экрана с двумя прорезями, можно по одному заставлять их проходить сквозь интерферометр[26]. Входя в интерферометр, каждый атом должен выбрать один из двух путей, или ответвлений, следующих через аппарат своим, независимым маршрутом. Квантовая механика гласит, что, пока мы не посмотрим, волновая функция атома будет пребывать в суперпозиции двух «частей», следуя обоими маршрутами одновременно. В принципе, два пути могут быть очень далеко друг от друга, даже на противоположных концах галактики, но мы все же должны считать, что волновая функция идет по обоим. Наконец, совместив два пути, мы увидим своего рода интерференцию, которая доказывает, что атом должен был пройти одновременно по обоим путям.