Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 33)

С тех пор действительно было «открыто» три различных типа нейтрино (плюс еще три разных антитипа), а еще несколько типов постулируется. Можно ли всерьез воспринимать сомнения Эддингтона? Возможно ли, что ядро, позитрон и нейтрино не существовали, пока экспериментаторы не нашли правильное зубило, которое позволило высечь их из камня? Такие рассуждения находятся на грани потери рассудка, не говоря уже о нашем понимании реальности. Однако все это довольно сложные темы в квантовом мире. Если правильно следовать квантовым рецептам, мы сможем провести эксперимент, который даст такой набор показаний, что их можно будет интерпретировать как указание на существование определенного типа частиц. Практически каждый раз, следуя одному и тому же рецепту, мы получаем один и тот же набор показаний. Но их интерпретация с позиции частиц происходит исключительно у нас в голове и, возможно, является не более чем стойкой иллюзией. Уравнения не дают нам никакой информации о поведении частиц в отсутствие наблюдения за ними, до Резерфорда никто не обращал внимания на ядро, а до Дирака никто не мог и представить существование позитрона. Раз мы не можем сказать, что делает частица, когда мы не смотрим на нее, мы не можем сказать и то, существует ли она вообще, когда мы на нее не смотрим. Справедливо будет сказать, что ядра и позитроны не существовали до XX столетия, потому что никто до 1900 года не видел ни одного из них. В квантовом мире ты получаешь то, что видишь, и при этом ничто не реально; надеяться можно разве что на набор иллюзий, соотносящихся друг с другом. К сожалению, даже эти надежды разбиваются в пух и прах самыми простыми экспериментами. Помните опыт с двумя прорезями, который доказал волновую природу света? Как его объяснить с позиции фотонов?

Опыт с двумя прорезями

Одним из лучших и самых известных преподавателей квантовой механики был Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института. Его трехтомник «Фейнмановские лекции по физике», опубликованный в начале 1960-х, задал планку для всех пособий для студентов, а в 1965 году он принимал участие в подготовке популярных лекций по теме для телесериала ВВС, выпущенных затем под названием «Характер физических законов». Родившийся в 1918 году Фейнман в 1940-х пребывал на пике карьеры физика-теоретика, когда он внес свой вклад в разработку квантовой версии электромагнетизма, названной квантовой электродинамикой; за эту работу он в 1965 году получил Нобелевскую премию. Особое место Фейнмана в истории квантовой теории показывает роль первого поколения физиков, которые выросли на установившихся принципах квантовой механики, когда все основные законы уже были заложены. Тогда как Гейзенбергу и Дираку приходилось работать в изменяющейся обстановке, когда новые идеи не всегда появлялись в правильном порядке и не всегда логическая связь между различными понятиями (как в случае со спином) оказывалась сразу же очевидна, у поколения Фейнмана впервые были все части мозаики, и логическая связь между ними становилась очевидной, если и не сразу, то после некоторого осмысления и интеллектуальной работы. Поэтому важно то, что, в то время как Паули и его последователи в пылу момента думали, что обсуждение квантовой механики и обучение ей необходимо начинать с принципа неопределенности, Фейнман вместе с другими учителями последних десятилетий, отыскивая логику самостоятельно, вместо того чтобы пересказывать идеи прошлых поколений, решили подойти к этому с другой стороны. На первой странице тома своих лекций, посвященных квантовой механике, Фейнман пишет, что ядром квантовой теории является эксперимент с двумя прорезями. Почему? Потому что это «явление, которое невозможно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом и которое лежит в самом сердце квантовой механики. На самом деле есть только одна загадка. основные черты квантовой механики».

Ранее в этой книге я пытался, как и великие физики первой трети XX века, объяснить квантовые идеи с позиции обычного мира. Теперь, отталкиваясь от главной загадки, пора сбросить шоры повседневного опыта, насколько это возможно, и объяснить обычный мир с позиции квантовой механики. Нет такой аналогии, которую можно провести из повседневного мира в квантовый, и поведение квантового мира ничего не напоминает нам. Никто не знает, почему квантовый мир ведет себя именно таким образом, мы знаем лишь то, что он ведет себя именно так. Можно ухватиться всего за две соломинки. Первая заключается в том, что и «частицы» (электроны), и «волны» (фотоны) ведут себя одинаково

правила игры неизменны. Вторая - в том, что, как выразился Фейнман, существует лишь одна загадка. Если понять эксперимент с двумя прорезями, половина пути к победе будет уже пройдена, поскольку «любая другая ситуация в квантовой механике, как оказывается, всегда может быть объяснена словами: „Помните эксперимент с двумя прорезями? Это то же

самое"»46.

Характер физических законов. С. 130.

Эксперимент работает следующим образом. Представьте какой-нибудь экран, например стену, в котором сделаны две маленькие прорези. Это могут быть две длинные узкие прорези, как в знаменитом эксперименте Юнга со светом, однако также подойдут маленькие круглые отверстия. С одной стороны этой стены находится другая стена, в которой расположен детектор. Если проводить эксперимент со светом, то детектором может быть белая поверхность, на которой можно увидеть светлые и темные полосы, но это также может быть фотопластинка, которую можно проявить и изучить на досуге. Если мы экспериментируем с электронами, то экран можно заполнить множеством детекторов электронов или можно взять детектор на колесах, который можно двигать как угодно, чтобы узнать, сколько электронов попадает в определенную точку экрана. Детали не столь важны, важно, что у нас есть некоторый способ регистрировать происходящее на экране. С другой стороны стены с двумя прорезями находится источник фотонов, электронов или чего угодно. Это может быть просто лампа или же электронная пушка, подобная той, которая создает картину на экране катодной трубки. Опять же детали не важны. Что происходит, когда проходящие через две прорези частицы попадают на экран? Как они распределяются на нем?

(

i

<

Интенсивность

Экран

Рис. 8.1. Когда пучок электронов проходит через одну прорезь, большая часть «частиц» оказывается распределена в район этой прорези.

Рис. 8.2. Электрон или фотон, проходящий через одну из двух прорезей, в соответствии со здравым смыслом «должен» вести себя так же, как если бы он прошел только через одну прорезь.

Сперва давайте отвлечемся от квантового мира фотонов и электронов и посмотрим, что происходит в обычном мире. Легко заметить, как волны дифрагируют сквозь прорези, поместив весь эксперимент в сосуд с водой. Источником может служить любое устройство, ходящее вверх и вниз и создающее равномерные волны. Волны проходят через две прорези и формируют на детекторе равномерный рисунок гребней и впадин из-за интерференции между волнами, проходящими через каждую из прорезей. Если мы закроем одну из прорезей в стене, высота волн изменится простым и регулярным образом. Самые большие волны располагаются ближе всего к отверстию, на самом коротком расстоянии внутри сосуда, а по обе стороны амплитуда волн меньше. Та же картина обнаруживается, если мы закроем эту прорезь и откроем ту, что была закрыта до этого.

1

1 Двойная -

1 прорезь ^

3

Г м

о

Интенсивность

Распределение, наблюдаемое при открытии обеих прорезей

Пучок

элект­

ронов

Распределение, наблюдаемое, когда открыта только одна из двух прорезей

Рис. 8.3. Однако для электронов и фотонов эксперименты показывают, что распределение, когда обе прорези «открыты», не эквивалентно распределению, полученному путем сложения того, что мы видим от каждой прорези в отдельности.

Интенсивность волны, являющаяся мерой количества энергии, которую переносит волна, пропорциональна высоте или амплитуде Н2 и демонстрирует одинаковое распределение для каждой прорези по отдельности. Однако, когда открыты обе прорези, распределение становится более сложным. Действительно, существует большой пик интенсивности прямо напротив двух прорезей, но с каждой стороны от этого пика, где две серии волн гасят друг друга, интенсивность очень низка, и на экране наблюдается картина чередования максимумов и минимумов. Математически получается, что интенсивность от обеих прорезей является не суммой их интенсивностей по отдельности (суммой квадратов), а квадратом суммы двух амплитуд. Например, если амплитуды волн обозначить как Н и J , то их интенсивность I не равна Н2 + J2, а задается выражением:

I = (H + J )2,

которое можно привести к виду:

= Н2 + J2 + 2HJ.

Дополнительное слагаемое в этом выражении появляется ввиду интерференции двух волн и, учитывая тот факт, что Н и J могут быть как положительными, так и отрицательными, это в точности объясняет интерференционную картину гребней и впадин.

Если бы мы провели такой же эксперимент с использованием крупных частиц из обычного мира (Фейнман представил причудливый эксперимент с автоматом, пули которого проходят сквозь прорези в стене и попадают в ведра с песком, используемые в качестве детектора), мы не обнаружили бы никакого «интерференционного слагаемого». Мы обнаружили бы, выстрелив сквозь прорези огромное число раз, разное количество пуль в разных ведрах. При одной открытой прорези распределение пуль по «экрану» напоминало бы вариацию интенсивности водяных волн при одной открытой прорези. Но при обеих открытых прорезях распределение пуль в ведрах представляло бы собой простую сумму эффектов для двух отдельных прорезей: большая часть пуль сосредоточилась бы в зоне напротив прорезей, а в обе стороны от этого пика расходились бы плавные хвосты без вызванных интерференцией гребней и впадин. В этом случае, если представить каждую из пуль как единицу энергии, интенсивность распределения будет задаваться формулой: