Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Тот род непредсказуемости, который характерен для поведения фотонов, когда они встречаются с оконным стеклом, характерен для их поведения и во всех остальных мыслимых обстоятельствах. В сущности, это типично для поведения не только фотонов, но и всех остальных обитателей микроскопического мира атомов и их составных частей — фундаментальных кирпичиков реальности. Атом радия может расщепиться или «распасться». Его ядро при этом взорвется подобно маленькой гранате. Однако нет абсолютно никакой возможности точно предсказать, когда именно самоуничтожится ядро отдельно взятого атома радия; есть лишь вероятность того, что это произойдет в течение определенного периода.

Непредсказуемость микроскопического мира не похожа ни на что из того, с чем люди сталкивались когда-либо ранее. Это нечто совершенно новое под солнцем. Вот почему Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за то, что, исследовав фотоэффект, пришел к выводу о корпускулярной природе света, а вовсе не за теорию относительности. Он — а вместе с ним и Нобелевский комитет — понимал, что это по-настоящему революционное открытие.

Признание того, что микроскопический мир подчиняется неумолимой, неодолимой случайности и управляется шансами, стало, пожалуй, самым поразительным открытием в истории науки. Это настолько испугало Эйнштейна, что он произнес свое знаменитое: «Бог не играет в кости со Вселенной». (Великий физик Нильс Бор, один из первопроходцев квантового мира, ответил: «Перестаньте говорить Богу, что ему делать со своими игральными костями».) Эйнштейн упорно отказывался верить, что на фундаментальном уровне Вселенной события происходят просто так, без всякой причины. Горькая ирония, не ускользнувшая от Эйнштейна, заключалась в том, что именно он оказался человеком, который, утвердив существование фотона, нечаянным образом впустил джинна случайности в самое сердце физики [11].

Эйнштейн был встревожен тем, что остальные физики 1920-х годов приняли квантовую идею как данность, а значит, приняли и то, что события могут происходить беспричинно. Однако интуиция Эйнштейна подсказала ему нечто важное. Если голую, неприкрытую случайность впустить в самое сердце мира, это неизбежно породит куда более ужасные последствия — последствия настолько устрашающие, считал он, что физики будут просто вынуждены расстаться с квантовой идеей. Эти мысли одолевали его вплоть до 1935 года, и наконец Эйнштейн нашел то, что искал. Работая с двумя другими физиками — Натаном Розеном и Борисом Подольским, — он пришел к следующему выводу: если квантовая теория верна, тогда два атома с неумолимостью должны будут оказывать мгновенное влияние друг на друга, даже если они находятся в разных концах Вселенной.

Чтобы понять, как Эйнштейн пришел к этому выводу, сделаем небольшое отступление. Эта глава началась с утверждения, что отражение лица в оконном стекле легко объяснить, если свет — это волна, подобная ряби на пруду. Однако нигде не было упомянуто, каким образом мы вообще заподозрили, что свет — это волна. Ведь в конце-то концов он вовсе не похож на волну.

Свет — это действительно волна

Ученым, который продемонстрировал волновую сущность света, был англичанин Томас Юнг. Человек энциклопедических знаний, он первым совершил прорыв в расшифровке египетских иероглифов на Розеттском камне, а также предположил, что в глазу должны существовать отдельные рецепторы для трех основных цветов — синего, зеленого и красного. Однако главным достижением Юнга было, бесспорно, раскрытие волновой природы света.

У Юнга было серьезное подозрение, что свет скорее похож на волну, чем на поток подобных пулям «корпускул», как то полагал Ньютон. В 1678 году голландский физик Христиан Гюйгенс догадался, что если представить свет как волну, бегущую в пространстве, то можно объяснить многие оптические явления — например, отражение света в зеркале либо изменение направления, или «преломление», луча света в плотной среде, такой, как стекло. Гюйгенсова волновая теория даже предсказала правильное преломление луча света, когда он попадает из воздуха в стеклянный блок, тогда как у теории Ньютона это не очень-то получалось (во всяком случае, требовались некоторые ухищрения). Однако Ньютон имел такую высокую репутацию — в науке он был уже почти богом, — что на теорию Гюйгенса не обратили особого внимания. Пока не появился Юнг.

Какова главная характеристика волнового движения? При наложении разных волн друг на друга они попеременно то усиливаются, то гасятся. Волны усиливаются, когда максимум одной волны совпадает с максимумом другой (это называется «усиливающая интерференция»), и они гасятся, когда максимум одной волны попадает на минимум другой («ослабляющая интерференция»). Эта «интерференция» действует просто гипнотически, если наблюдать за ней в луже, когда идет дождь. Концентрические круги от падающих капель расходятся, пересекаются, проходят друг через друга, и крохотные волны то усиливаются, то сходят на нет.

Юнг знал об этом эффекте. Ему также было известно, что подобное происходит со светом, но эту картину уже не увидишь невооруженным глазом, можно только понять, что гребни световых волн отделены друг от друга куда меньшими расстояниями, чем толщина человеческого волоса — одна из самых малых вещей, доступных человеческому зрению. Сделать интерференцию таких крошечных волн видимой было серьезнейшей задачей, настоящим вызовом природе, и это еще мало сказать. Но Юнг оказался на высоте.

Главное, понял он, — это создать два одинаковых источника концентрических волн, похожих на те, что расходятся от двух дождевых капель, проколовших тонкую поверхностную пленку пруда. Поскольку волны пересекаются, они должны интерферировать. Там, где будет ослабляющая интерференция, возникнет темнота; а в местах усиливающей интерференции возрастет яркость. Темные и светлые участки будут перемежаться. Чтобы увидеть их, достаточно поместить некое подобие белого экрана туда, где концентрические волны станут накладываться друг на друга. Там-то и обнаружится интерференция в виде чередующихся светлых и темных полос, как у зебры (мы бы сказали — как на штрихкоде, что можно увидеть на любом продукте в супермаркете).

Для успеха эксперимента Юнгу было очень важно, чтобы излучаемый свет был одного цвета или, во всяком случае, как можно ближе к одному цвету. Ныне известно, что различным цветам света соответствуют разные размеры волны, или «длины волны». Так, расстояние между гребнями у волны красного света примерно вдвое больше, чем у волны синего. Возможно, Юнг подозревал это. Для демонстрации интерференции требовалось полное усиление и полное ослабление накладывающихся друг на друга волн, а это было возможно только в том случае, если свет был одного цвета.

В 1801 году Юнг создал свои два источника концентрических волн, направив свет с одной стороны на непрозрачный экран с близко расположенными параллельными прорезями. С другой стороны экрана свет выходил из каждой прорези, распространялся дальше и проходил сквозь свет из соседней прорези. Там, где волны должны были наложиться друг на друга, Юнг поместил белый экран. И увидел на нем, к своей нескрываемой радости, чередование светлых и темных полос — верный признак интерференции. Вне всякого сомнения, свет оказался волной. Причина, по которой это не видно невооруженному глазу, заключалась в том, что световые волны слишком малы: всего лишь тысячная доля миллиметра от гребня до гребня [12]. Почему же нам важно знать про этот эксперимент начала XIX века, который продемонстрировал волновую природу света? Да потому, что эксперимент Юнга с двойными прорезями на этом не закончился. Никоим образом. В двадцатом веке он продолжился, но уже в новом воплощении. И вот что поразительно: в наше время этот эксперимент демонстрирует не волновой характер света, а нечто совершенно иное — нечто почти невероятное. Он демонстрирует, что одна, отдельно взятая микроскопическая сущность — фотон или атом — может находиться в двух местах одновременно.