Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 34)

= I 1 + I 2,

где I 1 соответствует H 2, а I 2 соответствует J 2 из волнового примера. И никакого интерференционного слагаемого.

Вы уже знаете, что будет дальше. Теперь вообразите эти же эксперименты, проводимые со светом и электронами. Конечно, эксперимент с двумя прорезями на самом деле множество раз проводился со светом, показывая туже дифракционную картину, как и в волновом случае. Эксперимент с электронами тоже был проведен почти таким же образом, и были также проведены эквивалентные эксперименты с рассеянными от атомов в кристалле пучками электронов. Впрочем, чтобы не усложнять рассказ, я ограничусь воображаемым экспериментом с двумя прорезями, который переведет на этот язык недвусмысленные результаты, полученные в реальных экспериментах с электронами. Как и свет, электроны демонстрируют дифракционную картину.

Рис. 8.4. «Волны вероятности», кажется, определяют, куда идет каждая из «частиц» пучка, и интерферируют так же, как и волны воды (см. рис 1.3).

И что же дальше? Разве это не корпускулярно-волновой дуализм, к которому мы уже привыкли? Суть в том, что мы привыкли к нему, чтобы готовить по квантовым рецептам, но не рассмотрели с должной степенью погружения все его следствия. Настало время для этого. Функция Шрёдингера у, переменная в его волновом уравнении, каким-то образом связана с электроном (или с той частицей, которую описывает уравнение). Если у - это волна, то неудивительно, что она дифрагирует и создает интерференционную картину, и несложно продемонстрировать, что у ведет себя как амплитуда волны, а у2 - как ее интенсивность. Дифракционная картина эксперимента с двумя прорезями для электрона - это картина у2. Если в пучке много электронов, объяснение простое: у2 - это вероятность того, что электрон будет обнаружен в каком-то конкретном месте. В две прорези устремляются тысячи электронов, и их итоговое местоположение можно предсказать на статистической основе, используя такое толкование волны у - великий вклад Борна в квантовую кулинарию. Но что происходит с каждым электроном в отдельности?

Рис. 8.5. Чтобы установить вероятность появления электрона в точке Айв точке В, нужно использовать правила поведения волн. Хотя, когда мы наблюдаем за точкой А или В, мы либо видим электрон (частицу), либо нет. Мы не наблюдаем волну. Мы не можем сказать, что электрон «на самом деле» делает во время прохождения через установку.

Мы легко можем понять, что волна, например волна воды, может пройти через обе прорези в экране. Волна - это распространяющееся явление. Однако электрон все еще кажется частицей, даже если мы связали с ним волновые свойства. Естественно считать, что каждый уникальный электрон должен пройти либо через одну прорезь, либо через другую. Мы можем попробовать экспериментально установить результат при закрытии поочередно каждой из прорезей. Делая это, мы получаем на экране обычную картину для случая с одной прорезью. Однако, когда мы открываем сразу обе прорези, мы не получаем картину, являющуюся суммой этих двух картин, как было бы в случае с летящими пулями. Вместо этого мы видим картину интерференции волн. И мы все еще получим эту картину, если замедлим электронную пушку настолько, что через всю систему за один раз будет проходить лишь один электрон. Мы думаем, что один электрон проходит лишь через одну из прорезей и затем попадает на детектор. Затем проходит другой электрон - и так далее. Если терпеливо подождать, пока пройдет достаточное число электронов, то на экране детектора отобразится дифракционная картина для волн. На самом деле в случае с электроном или фотоном, если провести тысячу одинаковых экспериментов в тысяче разных лабораторий и в каждом эксперименте позволить пройти через систему лишь одной частице, а затем сложить тысячу различных результатов, все равно получится картина, соответствующая дифракции, как если бы мы пропустили через систему тысячу электронов в одном эксперименте. Одиночный электрон или фотон на пути к прорези в стене подчиняется статистическим законам, которые работают лишь в том случае, если он «знает», открыта или нет вторая прорезь. Это главная тайна квантового мира.

Мы можем прибегнуть к хитрости - быстро закрывать или открывать одну из прорезей, пока электрон проходит через систему. Это не работает - картина на экране всегда является «правильной» для того состояния прорезей, которое было в момент прохождения электрона. Мы можем попробовать быстро заглянуть внутрь, чтобы «увидеть», через какую из прорезей проходит электрон. Если провести такой эксперимент, результат получается еще более странным. Представьте систему, которая регистрирует, через какую из прорезей проходит электрон, но при этом позволяет ему долетать до экрана. В таком случае электроны ведут себя как совершенно обычные, прекрасно воспитанные частицы обычного мира. Мы всегда регистрируем электрон в одной из прорезей, но не в двух сразу. И в таком случае картина, получающаяся на экране детектора, в точности эквивалентна картине в случае летящих пуль, без каких-либо следов интерференции. Электроны знают не только то, открыты обе прорези или только одна, но и то, наблюдаем ли мы за ними, и изменяют свое поведение в соответствии с этим. Нет ясного примера взаимодействия наблюдателя с экспериментом. Когда мы пытаемся взглянуть на распространяющуюся электронную волну, она схлопывается в ясно очерченную частицу, при этом, если мы не смотрим на нее, возможности остаются открытыми. С позиции вероятностей Борна наше измерение вынуждает электрон выбрать один способ действий из массива возможностей. Существует некоторая вероятность, что он может пройти через одну прорезь, и такая же вероятность, что он может пройти через другую прорезь; при этом интерференция вероятностей создает дифракционную картину на детекторе. Однако, когда мы регистрируем электрон, он может находиться только в одном месте, и это меняет картину вероятности его поведения в будущем, ведь для этого электрона точно известно, через какую из прорезей он прошел. Но если никто не наблюдает за процессом, сама природа остается в неведении о том, через какую из прорезей проходит электрон.

Редукция волн

Мы получаем то, что видим. Экспериментальное наблюдение верно только в контексте эксперимента и не может быть использовано для того, чтобы выяснить детали процессов, которые мы не наблюдаем. Можно сказать, что эксперимент с двумя прорезями показывает, что мы имеем дело с волнами, а посмотрев только на картину на экране детектора, можно решить, что аппарат имеет две прорези, а не одну. Только это и имеет значение: аппарат, электроны и наблюдатель представляют собой части эксперимента. Нельзя сказать, через какую именно прорезь проходит электрон, не смотря на прорези в момент его прохождения (а это уже другой эксперимент). Электрон вылетает из пушки и попадает на детектор, и это, судя по всему, дает нам представление обо всех условиях эксперимента, включая наблюдателя. Как в 1965 году Фейнман объяснил телезрителям с экрана ВВС TV: если в вашем распоряжении есть аппарат, с помощью которого можно сказать, через какую из прорезей проходит электрон, вы можете сказать, прошел он через одну из них или через другую. Но если в вашем распоряжении нет аппарата с такой функцией, невозможно сказать, через какую из прорезей прошел электрон. «Говорить, что он проходит через одну прорезь или через другую, когда вы не смотрите на него, ошибочно», - утверждал он. Слово «холистический», войдя в моду, так часто используется не к месту, что я сомневаюсь, стоит ли вводить его. Однако нет более уместного слова для описания квантового мира. Он действительно холистический, и все его части в некотором роде находятся в контакте с единым целым. И это не означает, что целое ограничивается лишь условиями эксперимента. Кажется, мир старается держать все свои вероятности, все возможности открытыми как можно дольше. Самое странное в стандартной Копенгагенской интерпретации квантового мира заключается в том, что именно наблюдение за системой заставляет ее сделать выбор в пользу одного из вариантов, который и воплощается в жизнь.

В простейшем эксперименте с двумя прорезями интерференцию вероятностей можно толковать так, как будто бы электрон, вылетая из пушки, исчезает, становясь невидимым, и заменяется массивом электронов-призраков, каждый из которых своим путем идет к экрану детектора. Призраки интерферируют друг с другом, и, взглянув на то, как электроны регистрируются экраном, мы можем заметить следы этой интерференции, даже если мы имеем дело только с одним «настоящим» электроном зараз. Однако этот массив электронов-призраков описывает только то, что происходит, когда мы не наблюдаем за процессом; когда же мы наблюдаем за ним, все призраки, за исключением одного, исчезают, а один из них превращается в настоящий электрон. С позиции волнового уравнения Шрёдингера каждый из «призраков» соответствует волне, а точнее группе волн, которые Борн посчитал мерой вероятности. Наблюдение, которое выхватывает один электрон из массива потенциальных призраков, с позиции волновой механики приравнивается к исчезновению всего массива вероятностных волн, за исключением одной группы волн, описывающих единственный реальный электрон. Это называется «редукцией волновой функции», и, какой бы странной она ни была, она лежит в основе Копенгагенской интерпретации, на которой, в свою очередь, покоится вся квантовая кулинария. Сомнительно, однако, что многие физики, инженеры-электроники и другие ученые, прекрасно применяющие рецепты из квантовой кулинарной книги, понимают, что законы, оказавшиеся столь надежными при разработке лазеров и компьютеров или изучении генетического материала, покоятся исключительно на допущении, что мириады частиц-призраков постоянно взаимодействуют друг с другом и совмещаются в единственную реальную частицу только тогда, когда при наблюдении редуцируется волновая функция. Хуже того, как только мы перестаем наблюдать за электроном или любой другой частицей, она моментально распадается на новый массив частиц-призраков, каждая из которых идет через квантовый мир по своему пути вероятностей. Ничто не реально в отсутствие наблюдения, и реальность пропадает, как только наблюдение прекращается.