Про эту вашу физику

Глава 11 Двухщелевой эксперимент

Наконец, мы подошли к моменту истины! К знаменитой теме, которая делит людей на тех, кто искренне верует в квантовую магию и материальность мыслей, и тех, кто окончательно понимает, что с этой вселенной всё очень и очень плохо. В этой главе мы будем рассказывать про истинную сущность материи. И мы гарантируем, что ясности не добавим, но представление о том, как всё эпично и непредсказуемо, вы получите. Будет нелегко, товарищи, мы старались как могли, чтобы донести до простого человека, тяготеющего к гуманитарному мышлению, суть проблемы. Снова и снова предупреждаем о легкомысленности нашего повествования, о неточности и утрировании примеров и выводов. Но, согласитесь, хочется же разобраться? Задача этой главы: объяснить, почему фотон — это не частица и не волна, и мы методологически отбрасываем все ненужное и важное, лишь бы открыть читателям глаза на реальность, не данную нам в ощущениях.

Обращаем ваше внимание, что упоминаемые в главе события, открытия и эксперименты приводятся не в хронологическом порядке, а так, как нам захотелось. В целях усугубления читательского понимания, конечно же!

Итак, давайте проверим наши бытовые знания. Простой оскорбительный вопрос: что такое волна?

Ностальгический пример из детства — волна в луже возле родного подъезда. Мы бросали в воду камешки и зачарованно смотрели на расходящиеся круги. Волны в воде представляют собой колебания молекул этой самой воды. Вверх и вниз — все просто. У таких волн мы подмечаем их форму и поведение, а именно: амплитуду, частоту и длину. Полагаем, что читателям знакомы эти характеристики: амплитуда — это название того, как высоко поднимаются молекулы воды в волне, частота — скорость смены гребней и впадин волны, длина волны — расстояние между гребнями. Средняя морская волна имеет длину 150 метров, время которое пройдет между появлениями гребней — 10 секунд (значит частота: 1/10 или 0.1 Гц). С водой всё понятно. Кто не догнал — спускается во двор и кидает камешки в лужи, рассказывая старушкам на скамеечке о проблемах корпускулярно-волнового дуализма.

Теперь попробуйте ответить на вопрос, что является амплитудой, длиной и частотой для звуковой волны? Тоже пример из бытовой физики, но уже посложнее. Так сказать, слышали звон, но не очень уверены, какие у него характеристики.

Что ж, не будем томить, разгадка такова: в звуковой волне друг за другом «идут» участки уплотнения и разрежения воздуха (или той среды, где звук распространяется). Амплитуда здесь уже не физическая высота гребня, а разница между максимальной и минимальной плотностью. Для наших ушей амплитуда в общем случае означает громкость звука. Частота волны — скорость смены участков плотности. Человеки, как вид, слышат волны с частотой от 15 Гц до 20 000 Гц, и могут различать частоты по тону (высокий или низкий звук), например, нота Ля имеет частоту 440 Гц. Звуковая волна бывает и более низких частот — это инфразвук, и более высоких — ультразвук и гиперзвук. Обратим внимание, что по отношению к звуку волна — уже не натуральные гребни и впадины, а несколько иное физическое явление, описываемое волновыми характеристиками.

На заметку тем, кто читал главу про кванты: звуковая волна таки тоже квантуется, то есть существуют минимальные значения частот, слабее которых уже некуда. Квант звуковой волны называют фононом, и там у них тоже своя физика и жуткие формулы.

Кажется, здесь всё понятно. Следующий вопрос вы можете задавать своим знакомым или незнакомым, и это будет началом интересного спора, который иногда (ответственно заявляем) может дойти до рукоприкладства и вызова полиции.

Что является амплитудой, частотой и длиной для световой волны? Ну, или если быть точнее, раз у нас уже была про это глава, что из себя представляют характеристики электромагнитной волны?

Во времена дедушки Максвелла, который много сделал для того, чтобы подружиться с электромагнетизмом, на этот вопрос отвечали так. Существует какая-то неведомая сущность, представляющая собой сразу два совмещенных друг с другом поля: электрическое и магнитное. Поля почему-то испытывают колебания от максимального отрицательного значения до максимального положительного и тем самым создают все эти крутые электрические штуки типа притягивания мелких бумажек к расческе или искры от прикосновения к спящему котику.

Максвелл логично для тех лет предполагал, что, если есть волна, значит она распространяется в какой-то среде — например, мировом эфире. Менделеев предложил для эфира суперлегкий газ — ньютоний. А Фарадей, который был в теме, экспериментируя с электричеством дольше всех, засомневался в идее эфира, но умер, и его сомнения потомки не поддержали.

Так-то всё было почти готово, чтобы торжественно сойтись для понимания фундаментальных тайн мироздания: ученым оставалось описать природу эфира и заткнуть последние дыры в теории электромагнетизма.

Чтобы понять, какой такой волной является свет, ученые решили присмотреться к давешнему опыту Юнга. Помните, в предыдущей главе мы рассказывали про то, как свет проходил через две прорези в дощечке и давал на экране позади интерференционную картинку? Что, собственно, и привело испытателей к мысли о волновой природе света.

Внимание, сейчас будет отвлеченная, но очень важная информация насчет двухщелевого эксперимента. Когда в научпопе или еще где-то вы встречаете его описание в виде стрельбы электронами или фотонами по натуральным щелям, имейте в виду, что на самом деле это описание весьма утрированное и вымышленное. Большая часть «специалистов по квантмеху» в интернете воспринимает аналогию за чистую монету и пытается ее критиковать, выдвигая умопомрачительные гипотезы о том, как на самом деле объясняется двухщелевой эксперимент. Много суеты наводит пресловутый анимационный ролик с убедительным доктором в плаще супергероя, визуализирующий опыт со щелями. Несмотря на кажущуюся научность этого мультфильма, ролик является отрывком из абсолютно лженаучного фильма, втирающего населению про материальность мыслей, высших наблюдателей и прочей ерунде. Так вот, если вы нам доверяете, имейте в виду: настоящий эксперимент с интерференцией квантов производится сложнее и хитроумнее. А выводы из него несколько другие, нежели озвучиваются в большинстве научпоповских поделках. Мы тоже не лучше всего этого, но зато честные и стараемся исправиться.

Давайте посмотрим, как ученые заморочились на интерференции, и что из этого получилось. Во все нижесказанное трудно въехать с первого раза, поэтому помните, что совершенно не стыдно перечитать написанное несколько раз и даже подглядеть в Википедии. Мы и сами написали эту главу с десятой попытки и в процессе не стеснялись в выражениях.

Перед нами картинка, показывающая устройство простейшего интерферометра. Его соорудил тот самый разрушитель легенд Майкельсон для расчета длин волны света и заодно для попыток поиска светоносного эфира.

Итак, у нас имеется источник света (на самом деле светит специально подготовленный светильник, чтобы не смешивались разные длины волн, но свечка на иллюстрации выглядит душевно). Свет направляется на полупрозрачное зеркало посередине. Полупрозрачное зеркало — это такое зеркало, которое хочет — пропускает свет, а хочет — отражает. Короче говоря, в половине случаев свет проходит через зеркало, а в другой половине случаев — отражается. Занятная штука. Тонировка на нашем заниженном автовазике так же работает, если что.

В точке 1 траектория светового потока делится на две новые траектории, по которым свет устремляется к двум нормальным зеркалам, и в точках, отмеченных цифрой 2, отражается.

Не отвлекаемся! Следим за нарисованным. Отраженный от обоих зеркал свет возвращается к полупрозрачному зеркалу и в точках 3 снова делится. Нас интересуют только те траектории, которые отправляют поток света к экрану. Там на экране два луча пересекаются под некоторым углом. Две волны накладываются друг на друга, гребни и впадины суммируются, и на экране появляется обычная и не очень впечатляющая интерференционная картина из светлых и темных полосок.

Ну, все нормально, сказали ученые. Тут как раз все понятно! Свет от источника делится пополам, и затем два луча интерферируют. Свет — это волна, и не о чем больше говорить! В те времена считалось, что амплитуда световой волны, чем бы она ни была, пропорциональна интенсивности света. А если быть точнее, то интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. То есть увеличиваем интенсивность света, и интерференционные полоски становятся ярче. Если взять за аналогию морскую волну, то высокая мощная волна впечатает вас в прибрежную скалу сильнее, чем низкая. Логичненько?

Но появился Эйнштейн со своим фотоэффектом. Мы уже относительно подробно рассказывали об этом в предыдущих лекциях, но не грех вкратце напомнить. Если направить свет на специальный материал (фотопластинку), то он будет выбивает из нее электроны. Казалось бы, чем ярче будем светить на пластинку, тем быстрее оттуда будут электроны вылетать. Чем ярче свет, чем он интенсивнее, чем больше его амплитуда, тем выше будет скорость выбиваемых электронов — снова вспомним про мощную такую морскую волну.

В реальности все оказалось не так. Чем выше была яркость света, тем больше выбивалось электронов. А скорость их вылета была одинакова. Хоть обставь всю лабораторию прожекторами. Стоило же изменить длину световой волны, то электроны неожиданно меняли скорость. Если взять самую длинную волну видимого света — красный свет — то тогда электроны вообще переставали вылетать. Какого, спрашивалось, лешего? Это была засада. И эту загадку разгадал Эйнштейн. За что ему дали нобелевку, хотя кому-то хотелось дать ему по щщам: все испортил и открыл ящик Пандоры.

В это время, снова напомним, некий Макс Планк показал мужикам смешную шутку. Он на досуге рассчитывал, как излучает тепло «сферический конь в вакууме» — абсолютно черное тело. Если считать по формулам Максвелла, то в итоге насчитывалась бесконечная энергия — у нас, между прочим, местные энергетики и работники тепловых сетей так же, похоже, считают. А Планк взял и придумал удачную формулу, чтобы подогнать расчет под ответ. Никогда такого не было, и вот опять. Ох уж эти ученые: вечно выдумывают, подгоняют результаты, а потом награждают друг друга и выписывают гранты.

В общем, получалось, что тепло идет не бесконечным потоком, а кусками — их назвали квантами тепла. Ну как в интернете — пакеты летят, так и тут, тепло кусками вылезает из сферического коня в вакууме. И Планк попросил Альберта заценить шутку, мол, гляди: кванты какие-то, дискретность, математические абстракции… Эйнштейн же юмора не понял, а взял и применил идейку к волне света. И спросил себя, а потом и остальных, что если световая волна тоже излучается порциями. Эту порцию он назвал квантом света (позже — фотоном). Фотоны в некоторых случаях вели себя как частицы. Кончилась история тем, что Планк обиделся на Эйнштейна и до конца жизни клал на квантовую теорию интерферометр.

А вот дальше началось то, от чего сам Эйнштейн испытал знатное удивление и в итоге тоже на всех обиделся. Как дядюшка Альберт объяснил фотоэффект? Легко и по-пацански! Один квант света выбивает ровно один электрон. Как частица частицу. Поэтому увеличиваем интенсивность света: летит больше фотонов, выбивается больше электронов. Энергия выбивания всё та же. Но если мы меняем фотону цвет, то электроны вылетают с иными скоростями. Беда в том, что цвет фотона описывается волновыми свойствами, а именно: длиной волны и частотой. Получалось, что энергия этого самого фотона зашифрована в цвете фотона, то есть в частоте. Если цвет красный, то фотоны просто не в силах выбить электроны из фотопластинки — вся их энергия уходит на преодоления так называемой «энергии связи» — электроны же не так просто выдернуть из материала, они там как бы закреплены. И нужно потратить какие-то силы, чтобы их выбить. А если свет голубой, то электроны выбиваются и даже летят быстрее всех. Еще раз, чтобы не перечитывать: энергия фотона зависит от его цвета, а не амплитуды, а цвет — это волновая характеристика. Частица имеет свойство волны.

Все это было неприятно. Давайте нарисуем интерферометр глазами Эйнштейна:

Здесь у нас происходит смена концепции. К зеркалам летит уже не волна, а кванты-фотоны-частицы. Пытающийся спасти положение классический доквантовый физик рассуждает так: фотоны летят до зеркала, далее случайным образом расщепляются на два пучка по половине фотонов в каждом, и в итоге после всех приключений эти пучки интерферируют. Странно, конечно, что частицы интерферируют как волны, но вот такая природа света. Давайте назовем это явление корпускулярно-волновым дуализмом и забудем обо всем этом недоразумении.

К несчастью теоретиков в проблему вмешались технологии.

Сначала более точный эксперимент показал, что как не меняй интенсивность света — интерференционная картинка не меняется. А должна бы, если интенсивность — это энергия. Полоски не становились шире или ярче. Интенсивность света влияла только на скорость проявления картинки на экране. Если запускать фотоны малыми порциями всего-то по паре сотен миллиардов за раз, то картинка на экране будет постепенно становиться всё четче и четче. А если выстрелить добрым куском из пары тысяч триллионов фотонов, то сразу получится отличная фоточка.

Как мы сказали выше, физики, включая Эйнштейна, по-прежнему говорили, ну и что, фотоны из первого пучка интерферируют с фотонами из второго пучка. Допустим, только допустим, что энергия не зависит от интенсивности — ну и, ладушки. Мы выдумали термин «корпускулярно волновой дуализм» — пользуйтесь.

Но это было полбеды. Инженеры как раз собрали устройство, которое называется «квантовый генератор» или лазер, по-нашему. Квантовый генератор умел делать одну прикольную вещь: стрелять одиночным фотоном. Теперь-то станет понятно, как получается интерференция, обрадовались ученые и крикнули: к коллайдеру! — то есть к интерферометру!

Некоторые читатели уже сообразили, что запущенный фотон прошел через интерферометр и влетел в экран, оставив точечный след. Ученые запустили следующий фотон. На экране появилась вторая точка. Полет нормальный. Затем точно так же по одному было запущено еще несколько миллионов фотонов. И экспериментаторы схватились за головы: из точек на экране сложилась картина из полосок — старая добрая интерференция, будь она не ладна. Здравый смысл нервно курил в сторонке. Запущенный через щель мяч обязательно прилетает в центр стены напротив! А здесь выходило, что одиночный фотон проходит через адскую машинку и каким-то образом укладывается в строго заданный рисунок так, чтобы получились загадочные интерференционные полоски. А науке известно, что интерференционная картинка получается только в тех случаях, когда встречаются, как минимум, две волны, когда в результате наложения двух максимумов появляется еще более крутая волна. Караул! Приводя в качестве аналогии морскую волну, представим, что мы кидаем в воду булыжник, волны от него расходятся в разные стороны, но по законам магии волна касается берега только в одной точке и нигде больше. Как это можно объяснить?

Эйнштейн сказал, что это, извините, ерунда. Тут же, очевидно, скрытые параметры, коллеги, мы, по-видимому, еще не все знаем о микромире, давайте выпьем и спокойно подумаем. Но неуемные Макс Борн и Нильс Бор (однофамильцы что ли?) начали спорить с гуру физики — вообще этот период истории науки настолько эпичен, что мы рекомендуем вам выделить время и почитать соответствующие книги или статьи — ни один детектив или фантастика не сравнится с накалом страстей тех лет. А давайте предположим, сказали они, что фотон летит одновременно по обеим траекториям? Тогда на экране два фотона снова складываются в один, оставляя след. Может, пора поставить физику с ног на уши?

Классики науки не захотели так просто сдаться и признать, что физику нужно переписывать с самых основ. У них появилась отличная идея: посмотреть, по какому пути на самом деле летит фотон после прохождения полупрозрачного зеркала. Давайте, сказали они, поставим на одной из траекторий детектор, который поймает фотон, и увидим, что по-настоящему происходит в интерферометре. А потом, чего уж там, как-нибудь и интерференцию объясним.

Как только они поставили детектор, поглощающий фотон на одном из путей, произошло два тревожных события.

Во-первых, детектор либо ловил, либо не ловил фотон. Это к радости физиков означало, что в момент пролета полупрозрачного зеркала, квант все-таки не раздваивается, выбирает куда полететь, и либо врезается в детектор, либо улетает к экрану.

А во-вторых… а во-вторых, исчезла интерференционная картинка. Фотон, выбравший путь до экрана, летит к нему и оставляет там след, который при массовом повторении эксперимента вдруг превращается не в полоски, а в круглое пятнышко. Вот как раз то же самое, что стрельба мячом по стене через щель. Иначе говоря, фотон как будто «узнает», что ему поставили препятствие на одной из траекторий, и он сразу теряет интерес быть волнистым. Это как такое вообще может быть?

Поэтому Борн, Гейзенберг, Бор и другие надмозги написали свой вариант происходящего, так сказать с графиками и лаборантками. Давайте нальем себе кофе с чем-нибудь полезным, выгоним всех из помещения, чтобы не мешали, помассируем виски и несколько раз прочитаем нижеследующие абзацы. Потому что сейчас будет срыв покрывал и простыней со всего того, во что вы верили и хотите верить дальше. Борн за это получил Нобелевскую премию, а мы с вами сейчас получим головную боль!

Вот, что происходит в интерферометре по мнению квантовых физиков. Фотон летит к полупрозрачному зеркалу, влетает в него, и в этот момент его состояние меняется. Да, вероятности его движения по траекториям, по-прежнему, делятся пополам. По 50 % на каждый путь. В случае, если мы захотим посмотреть, по какому пути гуляет фотон, то мы найдем его либо тут, либо там. Это логично и понятно, но есть важный нюанс: пока мы не пытаемся определить точное местонахождение частицы, она существует в вероятностном виде на обоих путях одновременно. То есть, если вы классический физик, вы говорите: фотон после разделителя летит с вероятностью 50 % либо по одному пути, либо по другому. А если вы физик квантовый, то вы говорите: фотон после разделителя находится в суперпозиции, он одновременно и там, и там: пока никто не мешает, реализуются оба варианта. Или, как правильнее говорить, фотон существует в виде волн вероятностей.

И если же мы не будем пытаться его поймать, то эти вероятности спокойненько и не торопясь «пролетят» по обоим путям и интерферируют, выдав местонахождение фотона в виде следа на экране. На этой тонкой разнице рухнула вся классическая механика.

Наличие детектора или, как это называют в физике, «наблюдение», убивает суперпозицию фотона. То есть, обнаруживая на путях детектор, суперпозиция самоуничтожается, фотон рэндомно и непредсказуемо переходит в одно из имеющихся определенных состояний, «выбирает», по какому пути ему теперь, горемычному, лететь и, собственно, туда и летит. Если вы уже заражены литературой по квантовой магии, материальности мыслей, то самое время отметить, что «наблюдение» — это не появление высшего разума с ушами возле мирового интерферометра. Наблюдение — обычная ситуация, препятствие, которое ломает фотону всё приключение, заставляя его двигаться только по одному пути вместо одновременного движения по нескольким.

Рассматривая интерференцию света как сложение двух прилетевших вероятностей, наконец, можно дать ответ на вопрос, заданный в начале главы, о том, что такое амплитуда световой волны? Ужаснитесь: амплитуда световой волны — это не высота гребня волны, не ее плотность, и не количество заряда на пике. Амплитуда световой волны, амплитуда фотона — это, после некоторых расчетов, ее/его вероятность обнаружения в некоторой области пространства. Вы только подумайте: то, что мы считали волновой характеристикой неизвестной природы, оказывается практически броском игрового кубика. Мы называем свет волной только потому, что его вероятности обнаружения подчиняются некоторым волноподобным условиям.

Классическая механика с поправками на корпускулярно-волновой дуализм утверждала, что амплитуда (интенсивность) показывает, сколько фотонов находится на каждом пути после разделения. А квантовая физика говорит, что амплитуда фотона — это вероятность его обнаружения в определенный момент времени там, где он пролетает. Вот это поворот! Мы физикой занимаемся или бросанием костей? — так примерно думали Эйнштейн с последователями.

Давайте для закрепления повторим еще раз. Фотон в момент попадания на зеркало-разделитель не бросает монетку, решая по какому пути лететь. Вместо этого он, откладывает монетку до лучших времен и приобретает состояние суперпозиции вероятностей: «вероятность 1 + вероятность 2». Затем, оказываясь в суперпозиции, он, оставаясь по-прежнему целым фотоном, разделяется на волны вероятностей 1 и 2, и с этими значениями пролетает по каждому пути. Если где-то ему попадается препятствие, затыкающее эту траекторию, то случается «коллапс» — фотон достает монетку, бросает, и однозначно «материализуется» из суперпозиции в одном из вариантов траекторий: либо врезается в детектор, либо врезается в экран, как неделимый шарик-частица на единственно выбранном пути.

Но если фотону не мешать в его путешествии по двум веткам интерферометра, то в конце две волны вероятности встретятся. Амплитуды наложатся друг на друга, фотон снова подбросит свой кубик, но в этот раз из-за интерференции амплитуд ему можно будет использовать, скажем, только четные грани кубика, а нечетные — нельзя. И материализовавшийся из-за встречи с экраном фотон оставит свой след в том месте экрана, на которое указал вселенский генератор случайных чисел. Череда полос на экране говорит нам о том, что светлые полоски — это места, где фотон врезается чаще всего, а темные полоски — места, где фотоны практически никогда не обнаруживаются. То, что мы воспринимаем как вроде бы понятную классическую интерференцию, в итоге оказывается графиком распределения пойманных фотонов, вышедших из состояния суперпозиции. Невероятно, согласитесь?

Мы только что узнали голую неприкрытую правду о микромире. Спешим сказать, что и электрон, и протон, и даже некоторые молекулы похожим образом ведут себя на интерферометре. Представьте себе: запущенная в экран молекула интерферирует сама с собой. Правда, это специальная молекула, настроенная особым образом, но сути это не меняет. Технически и мы с вами как набор частиц интерферируем в пространстве, но так как все внутри нас взаимосвязано и переплетено, то суперпозиция наших частиц постоянно схлопывается, создавая иллюзию стабильности и однозначного нахождения в пространстве.

Мы ответили на вопрос, какой физический смысл несет в себе амплитуда электромагнитной волны. Длина же этой волны (и соответственно частота) означает сколько энергии несет в себе такая волна — вспомним про волны Де Бройля, про которые мы говорили в предыдущей главе. Однако кроме этого длина волны указывает нам область пространства, в которой мы в соответствии с амплитудой будем «ловить» частицу, если нам вдруг это понадобится. Но мы слегка забегаем вперед.

Главное, по окончанию главы не делать поспешных выводов и отметить очень важную вещь: электромагнитная волна не является волной, ей не требуется никакая среда для распространения. Она сама по себе реальная форма материи с некоторыми странными свойствами, ну, вы поняли: существование в суперпозиции вероятностей и всё такое. Поэтому любой современный ученый никогда не станет рассматривать всерьез фрические выкладки об эфире и конденсатах ментальной энергии — ничего этого не требуется для понимания и описания явлений микромира. В микромире, вообще всё по-другому устроено, и классический подход там ни к селу, ни к городу. Увы, обыватель, который задвигает про недооцененность эфирных моделей даже близко не представляет суть явления и ориентируется на обрывки критики квантовой механики начала прошлого века. С тех пор прошло более ста лет, и наши знания о квантовом мире сильно продвинулись вперед, при этом не опровергая предположения Борна, а наоборот, подтверждая и дополняя.

Несмотря на очевидное безумие, квантовая интерпретация поведения частицы в интерферометре объяснила множество вещей, которые до тех пор были вообще за гранью понимания. Человечество узнало, как на самом деле устроен атом, как происходят ядерные взаимодействия, почему и как работает химия и т. д. Увы, движок мироздания работает на вероятностях, и это твердый факт!

Давайте просто временно отложим в сторону книгу и погрустим на тему того, как же все сложно, черт побери, в этом мире.