Карло Ровелли – Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика (страница 6)

Часть вторая

II

Странный зверинец безумных идей,

в котором демонстрируются квантовые явления и рассказывается о том, как разные ученые и философы пытаются их понять каждый на свой лад

1. Суперпозиции

Я никак не мог выбрать, куда пойти учиться, и решение заняться физикой принял в последний возможный момент. Когда я собрался поступать в Болонский университет (тогда это еще нельзя было делать удаленно), очереди на подачу документов на разные факультеты были разной длины, а самой короткой оказалась на физический факультет, что и решило мой выбор.

Физика привлекала меня ощущением, что за занудством школьной программы, идиотскими задачами про пружины, рычаги и катящиеся шарики скрывается подлинный интерес к пониманию природы реальности. Этот интерес оказался созвучен моему юношескому любопытству, желанию испытать, прочесть, познать, увидеть все: все места, всех девочек, все книги, всю музыку, все переживания и все мысли…

Юность – это время постоянной перестройки нейронных сетей мозга. Все воспринимается очень остро и ярко, все влечет, все ставит в тупик. Я вышел из этого возраста полный смятения, мучимый вопросами. Я хотел проникнуть в природу вещей, понять, как наша мысль может познать эту природу. Что есть реальность? Что есть сознание? Что есть думающий я?

Именно это исключительно сильное и жгучее любопытство толкнуло меня сходить и проведать, что за свет дает нам наука – Великое Новое Знание нашей эпохи. Не то чтобы я ожидал получить правильные ответы, не говоря уже об окончательных… но как было пройти мимо того, что человечество узнало за прошедшие два столетия о тонкой структуре вещей?

Изучение классической физики было довольно забавным, но при этом скучноватым. Она оказалась элегантной в своей краткости. Осмысленнее и последовательнее, чем те бессмысленные формулы, которыми меня пичкали в лицее. Изучение открытий Эйнштейна о пространстве и времени привело меня в восторг и изумление, у меня прямо-таки сильнее забилось сердце.

Но настоящий фейерверк в моем сознании разгорелся от изучения квантовой механики. Это было прикосновение к раскаленной материи реальности там, где эта реальность ставит под сомнение наши предвзятые представления о ней…

Мое знакомство с квантовой теорией было непосредственным. Лицом к лицу с книгой Дирака. Я слушал в Болонском университете курс математики профессора Фано под названием «Математические методы для физики». Это были «методы» для нас. В рамках этого курса каждый студент должен был самостоятельно изучить выбранную им тему и сделать по ней доклад перед сокурсниками. Я выбрал небольшой раздел математики, который сейчас входит в обязательную программу для получения диплома по физике, но в мое время студенты не обязаны были его изучать. Это «теория групп». Я спросил профессора Фано, что надо включить в доклад. Он ответил: «Основы теории групп и ее приложение к квантовой механике». В ответ на мое осторожное замечание, что еще не слушал курса квантовой механики… и нечего про нее не знаю, он сказал: «Ну и что? Так изучите ее!»

Он так пошутил.

Но я не понял, что это была шутка.

Я купил книгу Дирака – издание Борингьери в сером переплете. От нее замечательно пахло (я всегда нюхаю книги перед тем, как купить: запах имеет для меня решающее значение). Уединился дома и целый месяц изучал ее. Купил себе еще несколько книг³⁷, прочел и изучил их тоже.

Это был один из лучших месяцев в моей жизни.

Тогда у меня появились вопросы, которые преследовали меня всю жизнь и которые спустя годы, после множества прочитанных книг, обсуждений и сомнений, привели меня к решению написать эти строки.

В этой главе расскажу подробнее о странностях квантов. Опишу конкретное явление, в котором проявляются их необычные свойства, – явление, которое имел возможность наблюдать собственными глазами. Это тонкий эффект, но в нем проявляется самое главное. Затем перечислю некоторые наиболее обсуждаемые идеи, чтобы разъяснить эту странность.

Идею, которая мне кажется наиболее убедительной, излагаю в следующей главе. Если хотите сейчас же перейти к ней, то можете пропустить остаток этой.

Что же такого странного в квантовых явлениях? То, что электроны находятся на фиксированных орбитах и совершают переходы между ними, еще не конец света…

Странности квантовой механики – это следствия явления под названием «квантовая суперпозиция». Это когда мы в некотором смысле имеем дело одновременно с двумя противоречащими друг другу свойствами. Например, объект может находиться здесь и одновременно там. В этом состоит идея Гейзенберга, когда он говорит, что «у электрона больше нет конкретной траектории»: электрон не находится ни в одном, ни в каком-то другом месте. В определенном смысле он находится в обоих местах сразу. У него нет одного определенного положения. У него как будто одновременно несколько положений. Физики говорят, что объект может быть в состоянии «суперпозиции» двух положений. Дирак называл эту странность «принципом суперпозиции» и считал ее концептуальной основой квантовой теории.

Что значит, что объект находится в двух положениях?

Учтите, это не то, что мы непосредственно видим «квантовую суперпозицию». Электрон никогда не виден в двух местах. «Квантовая суперпозиция» не видна непосредственно. Она лишь косвенным образом порождает некие наблюдаемые проявления. Мы видим тонкие следствия того, что частица в определенном смысле может находиться одновременно в разных местах. Эти проявления называются «квантовой интерференцией». Мы наблюдаем именно интерференцию, а не «суперпозицию». Посмотрим, что это такое.

Я впервые наблюдал квантовую интерференцию через несколько лет после того, как изучил ее по книгам. Было это в Инсбруке в лаборатории Антона Цейлингера – симпатичного бородатого австрийца, похожего на доброго медведя. Цейлингер – один из величайших физиков-экспериментаторов, который с помощью квантовой механики совершает чудеса: он – пионер квантовой информатики, квантовой криптографии и квантовой телепортации. Сейчас расскажу вам, что я увидел, и вы поймете, что смутило физиков.

Антон показал мне стол с оптическими приборами: небольшим лазером, линзами и призмами, с помощью которых лазерный луч сначала разделяется, а потом снова соединяется, а также детекторы фотонов и т. д. Слабый лазерный луч из небольшого числа фотонов разделяется на два луча – назовем их правым и левым. Оба луча потом соединяются и снова разделяются и направляются на два детектора: один «вверху», а другой – «внизу».

Пучок фотонов разделяется призмой на два, которые потом соединяются в один и снова разделяются.

Увидел я вот что: в случае, когда оба луча (правый и левый) не перекрыты, все фотоны оказываются в нижнем детекторе (первый рисунок на нижней иллюстрации). Но если загородить один из путей рукой, то половина фотонов все так же оказывается в нижнем детекторе, а половина попадает в верхний (второй рисунок на нижней иллюстрации). Попробуйте задаться вопросом, а как такое может быть.

Квантовая интерференция. Если оба пути свободны, то все фотоны идут в нижний детектор (первый рисунок). Когда же я загораживаю один из путей рукой, то половина фотонов попадает в верхний детектор (второй рисунок). Каким образом моя рука направляет фотоны, проходящие по второму пути, в верхний детектор? Никто не знает.

Это странно: половина фотонов, проходящих по каждому из путей, оказывается в верхнем детекторе (второй рисунок). Естественно ожидать, что из фотонов, проходящих по обоим путям, в верхний детектор тоже должна попасть половина. А на самом деле все не так: в этом случае они вообще никогда не попадают в верхний детектор (первый рисунок).

Каким образом, когда моя рука перекрывает один из путей, она сообщает проходящим по второму пути фотонам, что им надо оказаться в верхнем детекторе?

Исчезновение «верхних» фотонов, когда открыты оба пути, – это пример квантовой интерференции. Это «интерференция» двух путей – правого и левого. Когда открыты оба пути, то происходит нечто такое, чего не бывает ни с фотонами, проходящими по одному, ни с фотонами, проходящими по другому пути: фотоны, направляющиеся в верхний детектор, исчезают.

Теория Шредингера гласит, что волновая функция ψ каждого фотона разделяется на две части – две волны, одна из которых распространяется по правому, а другая – по левому пути. Когда эти две волны воссоединяются, то волновая функция ψ восстанавливается и направляется в нижний детектор. Если же я загораживаю рукой один из путей, то волновая функция ψ не восстанавливается, как в первом случае, и поэтому ведет себя по-другому: она разделяется на две и одна из новых волн направляется вверх.

В таком поведении волн нет ничего странного: их интерференция – это хорошо известное явление. Так ведут себя волны света и волны на море. Но в нашем случае мы не видим разделения волны на две, а лишь отдельные фотоны, каждый из которых проходит только по одному пути – справа или слева. Если вдоль путей поместить детекторы фотонов, то они на самом деле никогда не зарегистрируют «пол фотона»: они показывают, что каждый фотон проходит (целиком) по правому или по левому пути. Каждый фотон ведет себя, как если бы проходил по обоим путям как волна (иначе бы интерференция была бы невозможна), но если посмотреть, где же он находится, то всегда увидим его на одном-единственном конкретном пути.