Квант. Путеводитель для запутавшихся

Глава 1. Фокус природы

Вместо того чтобы сыпать научными терминами на первых же страницах этой книги, я сначала опишу простой эксперимент. Позволю себе предположить, что он покажется вам настоящей магией. Вы можете мне не поверить – тут уж вам решать. Любой фокусник оберегает свои секреты, так что я не стану сразу объяснять вам, как именно и почему это происходит. Однако, в отличие от случая с фокусами, узнавая о квантовом мире все больше, вы постепенно поймете, что здесь дело не в ловкости рук, не в спрятанных зеркалах и не в потайных перегородках. На самом деле вы должны прийти к выводу, что рационального объяснения описываемому мной положению вещей просто не существует.

Поскольку я уже и так слишком много раз использовал прилагательные «странный», «загадочный» и «удивительный», я больше не буду тратить время на предисловия и перейду к делу. Я собираюсь описать настоящий эксперимент, и вам придется поверить, что наблюдаемое – это не просто теоретические спекуляции. Провести этот эксперимент при наличии должного оснащения несложно; к нему прибегали неоднократно и по-разному. Также важно уточнить, что я опишу эксперимент не с позиции человека, который понимает квантовую физику, а с позиции читателя, который еще не знает, чего ожидать и как принять поразительные результаты. Полагаю, вы попробуете осознать их с точки зрения логики, опираясь на тот свод правил, которые считаете здравым смыслом, однако квантовые физики объясняют все иначе. Но об этом позже.

Прежде всего стоит сказать, что фокус – с вашего позволения я все же пока буду называть его фокусом – можно повторить, просто направив луч света на специальный экран; именно так эту процедуру и описывают во многих текстах. Однако в действительности природа света и сама по себе довольно необычна, из-за чего эффект становится не столь драматичным. В школе нас учат, что свет ведет себя, как волна, и может состоять из волн разной длины (что и дает разные цвета спектра, которые мы видим в радуге). Он демонстрирует все свойства, характерные для волн, включая интерференцию (наложение двух волн), дифракцию (рассеивание волн при прохождении сквозь узкое отверстие) и рефракцию (искажение волн при прохождении сквозь разные прозрачные субстанции). Эти феномены связаны с тем, как волны ведут себя, когда встречают на своем пути препятствия или когда встречаются друг с другом. Я же упомянул о необычной природе света потому, что его волновое поведение не описывает всей картины. На самом деле Эйнштейн получил Нобелевскую премию, показав, что свет может демонстрировать совсем не волновое поведение, но подробнее об этом мы поговорим в следующей главе. Для эксперимента с двумя прорезями достаточно предположить, что свет является волной, так как в этом случае все складывается как нельзя интереснее.

Сначала пучок света направляется на экран с двумя узкими прорезями, которые позволяют части света проникнуть сквозь них и упасть на второй экран, где наблюдается картина интерференции. Эта последовательность светлых и темных полос возникает в результате того, что отдельные световые волны, проникающие сквозь прорези, рассеиваются, накладываются друг на друга и сливаются, прежде чем попасть на задний экран. Там, где два гребня (или две впадины) волн встречаются, они сливаются вместе и образовывают более высокий гребень (или более глубокую впадину), который соответствует более интенсивному свету и, следовательно, более яркой полосе на экране. Но там, где гребень одной волны встречается с впадиной другой, они взаимоисключают друг друга, в результате чего на экране появляется темная полоса. Некоторое количество света между этими двумя крайностями сохраняется, поэтому рисунок на экране получается несколько размытым. Следовательно, интерференция наблюдается исключительно потому, что свет ведет себя, как волна, и проникает одновременно через обе прорези. Надеюсь, здесь вопросов еще нет.

Подобный эксперимент можно провести с использованием песка. На этот раз второй экран располагается под первым и в дело вступает гравитация. Когда песок падает на верхний экран, на нижнем экране под прорезями образуются две отдельные кучки. В этом нет ничего удивительного, ведь каждая песчинка должна пройти либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь; в этом случае волн нет, а следовательно, не происходит и интерференции. Если прорези одинаковы по размеру, а песок на верхний экран высыпается ровно между ними, две кучки песка на нижнем экране будут одинаковы по высоте.

Проникая сквозь две узкие прорези, свет формирует полосы на экране вследствие интерференции световых волн, проходящих сквозь прорези. Само собой, это происходит, только если источник света «монохромен» (то есть дает свет с одинаковой длиной волны).

И тут мы переходим к самому интересному – пробуем повторить тот же фокус с атомами. Специальный аппарат – за неимением лучшего имени назовем его атомной пушкой – выстреливает пучок атомов на экран с двумя достаточно узкими прорезями[1]. Второй экран покрывается специальным слоем, на котором вспыхивают крошечные огоньки, когда атом касается его.

Конечно, не стоит и говорить, что атомы представляют собой мельчайшие частицы, а следовательно, должны вести себя подобно песку, а не подобно распространенным волнам, которые могут проходить одновременно сквозь обе прорези.

Песчинки, само собой, не ведут себя, как волны, и формируют под прорезями две отдельные кучки.

Сначала мы проводим эксперимент, открыв только одну прорезь. Вполне ожидаемо на заднем экране за этой прорезью вспыхивают несколько отстоящие друг от друга огоньки. Это небольшое рассеивание огоньков может озаботить вас, если вы уже кое-что знаете о волновом поведении, ведь именно это происходит с волной, проходящей сквозь узкую прорезь (дифракция). Однако мы тут же заверяем себя, что волноваться пока не стоит, поскольку некоторые атомы могли задеть края прорези и отлететь в сторону, вместо того чтобы пройти прямо насквозь, что и может объяснить их рассеивание.

Далее мы открываем вторую прорезь и ожидаем, когда на экране появятся огоньки. Если бы я сейчас попросил вас предположить, как они распределятся на этот раз, вы бы, само собой, сказали, что они будут напоминать две кучки песка. Иначе говоря, что за каждой из прорезей образуется скопление огоньков, два отдельных световых пятна, более ярких в центре и постепенно меркнущих к периферии, куда атомы будут попадать реже. Расстояние между двумя световыми пятнами будет темным, соответствуя той области экрана, достичь которой атомам одинаково сложно, сквозь какую из прорезей они бы ни пролетали.

Теперь повторим тот же фокус с атомами. Когда одна из прорезей закрыта, атомы проходят только сквозь открытую прорезь. Распределение точек на заднем экране показывает, куда попали атомы. Хотя незначительный разброс и объясняется волновым свойством под названием дифракция, мы все же можем утверждать, что атомы ведут себя, как частицы, и результат эксперимента аналогичен тому, что мы видели в случае с кучками песка.

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.