Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

American Journal of Physics (1989)

В 1980-х такая позиция стала вызывать все больше вопросов, не в последнюю очередь из-за новых открытий, которые я опишу в главе «Шаг второй». Когда группа японских ученых под руководством Акиры Тономуры провела серию аналогичных экспериментов с использованием новых технических возможностей, их результаты, опубликованные в 1989 г., наделали куда больше шума. В 2002 г. читатели журнала Physics World назвали эксперимент по двухщелевой дифракции электрона «самым красивым физическим экспериментом».

Оставалась одна деталь, которая не устраивала ученых. В экспериментах с электронной бипризмой никакого физического барьера, подобного первому экрану в классическом двухщелевом эксперименте со светом, не существовало. Оба пути через установку, оба «канала» всегда были открыты. И в 2008 г. Поцци уже с другой группой коллег сделал следующий шаг. Ученые провели эксперимент, в котором электроны выстреливали по одному через две реальные наноразмерные физические щели в тонком экране и регистрировали с другой его стороны обычным способом. Как и ожидалось, электроны, попадающие в детектор, образовывали интерференционную картину. Когда же итальянская команда перекрыла одну щель и провела эксперимент еще раз, никакой интерференционной картины не было. Вместо нее на экране детектора образовалось простое световое пятно, расположенное непосредственно за щелью, – точно такое, какого можно было бы ожидать от потока частиц. Но откуда отдельный электрон, в одиночку проходящий через отверстие в стене, может «знать», есть ли поблизости еще одно отверстие, через которое он, в принципе, мог бы пройти, и открыто оно или закрыто, чтобы соответствующим образом поменять свою траекторию?

Следующий шаг был очевиден теоретически, но невероятно сложно реализуем на практике. Предстояло построить установку с двумя отверстиями в наномасштабе, которые можно открывать или закрывать, пока электрон еще летит. Можно ли обмануть электроны, изменив конфигурацию установки после того, как они пустились в путь? Эту сложную задачу взяла на себя группа ученых из США под руководством голландца по рождению Хермана Бателаана. Полученные результаты исследователи опубликовали в 2013 г. Я описал их эксперимент в очерке «Квантовая загадка», изданном для Kindle. Поскольку в нем приведены точные числа, я не могу улучшить это описание и приведу его здесь целиком.

Экспериментаторы проделали две прорези в силиконовой мембране с золотым покрытием. «Толщина» (или лучше сказать «тоньшина») мембраны составляла всего 100 нм, толщина золотого покрытия – 2 нм. Ширина каждой прорези составляла 62 нм, длина – 4 мкм (нанометр – это одна миллиардная доля метра, микрометр – одна миллионная). Эти параллельные прорези располагались на расстоянии 272 нм друг от друга (расстояние измерялось от центра одной прорези до центра другой). В устройстве имелось принципиально важное дополнение: автоматический механизм (с пьезоэлектрическим приводом) мог передвигать по мембране крохотную заслонку, блокируя с ее помощью ту или другую прорезь.

В ходе эксперимента через установку пролетало по одному электрону в секунду, а формирование каждой картины на экране занимало два часа. Процесс записывался на видео. В связанной серии прогонов команда исследователей наблюдала, что происходит, когда обе прорези открыты, когда одна из них закрыта и когда заслонка передвигалась, чтобы заблокировать другую прорезь. Когда обе прорези были открыты, формирующийся на экране узор, как и ожидалось, представлял собой интерференционную картину, но в обоих случаях, когда оставалась лишь одна из прорезей, ничего подобного не наблюдалось. Снова электроны «знали», сколько прорезей открыто – в довершение к остальным загадкам, выявленным (или, может быть, лучше сказать – подтвержденным) экспериментами итальянских и японских ученых. Каждый электрон, казалось, «знал» не только конфигурацию экспериментальной установки в момент своего пролета через нее, но и то, что произошло с электронами, пролетевшими до него, и с теми, что пролетят позже.

Ричард Фейнман предсказал это явление за полвека до описываемых событий. Опираясь на то, что к тому моменту было известно ученым о поведении света, и на открытие электронных волн, он поставил двухщелевой эксперимент с электронами в своем воображении. В «Лекциях по физике» Фейнман описал мысленный эксперимент, «который вам не следует пытаться провести в реальности», поскольку, «чтобы продемонстрировать эффекты, которые нас интересуют, установку для него пришлось бы делать в невозможно малом масштабе». То, что было невозможно в 1965 г., оказалось возможным в 2013-м. Это, безусловно, порадовало бы Фейнмана, который, помимо всего прочего, живо интересовался нанотехнологиями. Как объявили Бателаан и его коллеги, им удалось «полностью реализовать мысленный эксперимент Фейнмана». Их эксперимент и в самом деле обнажил центральную загадку квантового мира, «саму суть квантовой физики… одну-единственную тайну». Но никто не знает, как мир вообще может быть так устроен.

Прежде чем двигаться дальше, важно извлечь из эксперимента с двумя отверстиями еще один урок. Дело не только в том, что электроны и им подобные объекты ведут себя как волны и как частицы одновременно. Создается впечатление, что через установку они проходят как волны, а до экрана детектора долетают уже как частицы. Иногда они ведут себя, как если бы они были волнами, иногда – как если бы они были частицами. Это уточнение – как если бы – здесь весьма важно. Мы никак не можем знать, чем квантовые объекты являются на самом деле, потому что мы сами – не квантовые объекты. Мы можем проводить аналогии с тем, что знаем по опыту, а это волны и частицы. На это еще в 1929 г. в весьма достопримечательной манере указал физик Артур Эддингтон. В своей книге «Природа физического мира» (The Nature of the Physical World) он писал:

Возможно, нам и вправду лучше было бы думать о хливких шорьках, которые пырялись по наве в эксперименте с двумя отверстиями, чем об электронах, которые ведут себя как волны и как частицы. Чтобы не загромождать изложение, я не буду всякий раз предварять оговоркой «как если бы» события или объекты квантового мира, о которых заходит речь. Считайте, что она стоит в нужном месте.

В самом деле, «пыряние» могло бы оказаться лучшим термином, чем тот, что обычно используется для обозначения одного фундаментального квантового свойства электронов и других частиц – как правило, его именуют «спином», или, попросту говоря, вращением. Конечно, спин – это уютное привычное понятие, такое же, как волна или частица, – и ровно настолько же обманчивое. С одной стороны, уравнения говорят нам, что любой квантовый объект должен провернуться дважды, чтобы вернуться в первоначальное положение, что бы это ни значило в физическом смысле (я определенно не в состоянии представить себе это событие). Но спин – полезное свойство при обсуждении многих квантовых явлений, поскольку он может принимать два значения; их можно представить направленными «вверх» и «вниз» и обозначить как положительный и отрицательный спин. Это упрощает рассмотрение многих вопросов, которое в противном случае могло бы чудовищно усложниться.