Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Волна информирует частицы

Вспомним, что Юнг освещал одноцветным светом, или светом с одной длиной волны, непрозрачный экран, в котором были проделаны две близко расположенные параллельные прорези. Каждая прорезь служила источником вторичной световой волны для соседней прорези, так же как два упавших в пруд камня, «работая» совместно, становятся источниками двух наборов концентрических кругов. Волны от двух камней, проходя друг сквозь друга, попеременно усиливаются и ослабевают, и то же самое происходит со световыми волнами, исходящими из двух прорезей. Там, где они усиливаются, свет становится ярче; там, где они гасят друг друга, свет затухает, оставляя вместо себя темноту. Юнг поместил второй экран там, где волны накладываются друг на друга. И любой мог увидеть на экране перемежающиеся полосы света и темноты. Вне всякого сомнения, свет был волной.

Однако он также представляет собой поток частиц — и это опять-таки вне всякого сомнения. Артур Комптон доказал, что свет отскакивает от электронов, словно бы он состоял из крошечных биллиардных шаров, а кроме того, есть еще фотоэффект, при котором отдельные частицы света выбивают отдельные электроны из поверхности металла. И вот вопрос вопросов: как примирить это с экспериментом Юнга?

Подумаем о фотонах видимого света. Каждый несет очень мало энергии. Вот почему до Эйнштейна никто не замечал их существования. Если бы фотоны несли большое количество энергии, тогда при включения света с помощью светорегулятора яркость сразу поднималась бы резкими скачками до некоего минимального уровня, затем удваивалась бы, утраивалась бы, и так далее. Мы никогда не увидели бы, что лампочка разгорается медленно. А причина медленного разгорания лампочки в том, что отдельные фотоны несут очень мало энергии и скачки яркости — хотя они наличествуют — настолько мизерны, что неразличимы невооруженным глазом.

В эксперименте Юнга источник света также излучал триллионы триллионов крошечных фотонов. Хотя это объясняет, почему корпускулярная природа света не доступна глазу, мы тем не менее не получаем ясного ответа на вопрос, каким образом фотоны «сговариваются», чтобы выстроить интерференционный узор из темных и светлых полосок — явственный признак того, что перед нами волны, а не частицы. Один возможный ответ такой: когда наличествует много фотонов, их корпускулярная природа каким-то образом затушевывается, уступая место волновой природе, — словно бы фотоны теряют свою индивидуальность, как отдельный человек теряется в толпе болельщиков на футбольном матче. Но что, если мы заставим свет проявить его корпускулярную природу? Это можно сделать, использовав для эксперимента Юнга такой слабый источник света, что он будет испускать не триллионы триллионов фотонов, а очень немного, буквально единицы. Если источник света будет настолько слаб, что фотоны станут проходить сквозь прорези в экране по одному, да еще с большими интервалами, тогда не останется сомнений в том, что мы имеем дело с частицами.

Человеческий глаз не может разглядеть отдельные фотоны, так что их попадание на второй экран останется незамеченным. Однако это препятствие можно преодолеть, расположив на поверхности экрана множество чувствительных детекторов, способных регистрировать отдельные частицы света. Представим их как крошечные ведерки, которые ловят фотоны так же, как обыкновенные ведра собирают дождевые капли. Если фотонные ведерки подсоединить к компьютеру, то все, что в них поймалось, появится на экране, став таким образом видимым для человека.

Что же мы ожидали бы увидеть, доведись нам создать такую высокотехнологичную версию эксперимента Юнга? Ну, мы ведь знаем, что вся суть интерференции в том, что она берет две волны и смешивает их, заставляя «интерферировать» между собой. В случае с экспериментом Юнга два набора волн, подобно наборам концентрических кругов, появляются из двух прорезей в непрозрачном экране. Однако если фотоны появляются перед экраном по одному, с большими временными интервалами, то резонно предположить, что в единицу времени сквозь экран будет проходить только один фотон — он выскочит по ту сторону экрана либо из одной прорези, либо из другой. У такого одинокого фотона не будет пары, с которой он мог бы смешаться. Интерференция невозможна. Если такой эксперимент будет продолжаться довольно долго и через прорези пройдет весьма много фотонов, которые усеют второй экран, то рисунок на экране компьютера будет совсем прост: две параллельные яркие линии — отображение двух прорезей.

Однако в реальности происходит совсем не это.

Поначалу экран компьютера вроде как показывает, что фотоны дождем обрушиваются на весь второй экран, словно ими наобум палят из какого-нибудь пулемета. Однако по мере хода эксперимента образуется нечто поразительное. Медленно, но верно начинает вырисовываться некий узор — словно Лоуренс Аравийский появляется из песчаной бури: этот узор состоит из фотонов, перехваченных крошечными световыми ведерками (напомним: по одному в каждую единицу времени). И это не просто какой-то там узор. Это узор из перемежающихся темных и светлых полос — точь-в-точь та самая интерференционная картина, которую Юнг увидел в 1801 году. Но как такое возможно? Интерференция образуется при смешивании волн из двух источников. Здесь же свет настолько слабый, что легко доказать: он состоит именно из частиц — в конце концов, световые детекторы отщелкивают их по штуке в единицу времени, — и ни один фотон не имеет пары, с которой он мог бы смешаться.

Добро пожаловать в сумасшедший, потусторонний мир квантов! Когда мы видели, что поведение фотонов не имеет абсолютно никаких причин, это было лишь началом безумия.

Судя по всему, фотоны, даже тогда, когда их очень мало и они явно представляют собой частицы, каким-то образом «осведомлены» о своей волновой природе. В конце концов они попадают на втором экране ровно в те места, где волны, которые выбегали бы из прорезей, усиливали бы друг друга, и усердно избегают тех мест, где волны гасились бы. Такое впечатление, будто с каждым фотоном ассоциирована некая волна, которая каким-то образом указывает ему, куда именно ему нужно прилететь, чтобы занять место на экране.

Примерно такую картину — правильно это или нет — держат в уме большинство физиков. Существует некая волна, ассоциируемая с фотоном. Она сообщает ему, куда двигаться и что делать. Но вот какая причуда. Это не реальная физическая волна, которую можно увидеть или потрогать, как волну на воде. Вместо реальности перед нами — нечто абстрактное, чисто математического свойства. В своем воображении физики рисуют картину, как эта волна, часто именуемая «волновой функцией», простирается в пространстве. Если волна большая, если у нее высокие максимумы, там велика вероятность (больше шансов) обнаружить фотоны, а в тех «местах», где волна маленькая, довольно плоская, там вероятность обнаружить фотон весьма мала. Можно сказать несколько точнее: шансы на обнаружение частицы (вероятность ее нахождения) в некоем месте пространства определяются квадратом высоты квантовой волны в этом месте. Квантовые волны могут смешиваться и интерферироваться, и, когда это происходит, возникает интерференционный узор, который показывает, где скорее всего обнаружатся фотоны.

Такую картину трудно уложить в голове. Но во всяком случае, она дает нам намек на фундаментальную двойственность природы. Не только световые волны могут вести себя как частицы — фотоны, — но и фотоны могут вести себя как волны, пусть даже волны эти абстрактные, квантовые.