Квант. Путеводитель для запутавшихся

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.

Для первого – «пустого» – случая профиль молекулярного пучка будет представлять собой единственный узкий пик в полном соответствии с нашими наивными ожиданиями, которые заключаются в том, что каждую молекулу можно считать обычным мячом в свободном полете.

Однако во втором случае возникает первая странность: если поместить между источником и детектором одну очень узкую – 70 нанометров (70 миллионных миллиметра) шириной – прорезь, мы увидим на экране профиль, отличающийся от пустого случая. Вместо ожидаемого сужения, которое произошло бы, если бы молекулы действительно были просто маленькими футбольными мячами, мы заметим сильное расширение пика. Это расширение является следствием дифракции, свойственной волнам.

Ситуация становится еще более странной, когда мы заменяем узкую прорезь решеткой. Эта структура состоит из нескольких прорезей, каждая из которых чуть уже первой (по 50 нанометров). Эти прорези расположены на равном расстоянии друг от друга (между ними тоже около 50 нанометров). Если бы молекулы были простыми частицами, мы могли бы ожидать повышения интенсивности сигнала на всем экране. Но – вопреки нашему здравому смыслу – мы видим, что на экране появляются области, в которые молекулы не попадают вообще.

Открытие двух или более дополнительных отверстий в стене вместо одного снижает количество зарегистрированных в определенных местах молекул. Это очень нелогично и уже не может быть объяснено на модели мячей, которые летят по определенным путям, но находится в полном согласии с моделью, основанной на волновой природе единичных молекул. Тут мы отбрасываем идею «траектории» и позволяем молекулам одновременно исследовать более широкое пространство, которое на много порядков больше самой молекулы, в результате чего возникает квантовая интерференция.

Важно отметить, что щелчки детектора хорошо локализованы и что каждая молекула, насколько мы можем судить, ударяется в совершенно случайную область экрана. И все же по мере регистрации молекул детектором на экране постепенно вырисовывается странная волнообразная картина.