Квант. Путеводитель для запутавшихся

Теперь вы знаете о квантовой механике достаточно, чтобы понять, что происходит в эксперименте с двумя прорезями. Может, вам это и не нравится, но я уже упоминал, что это вполне естественная реакция, которая к тому же отражает ваш рост и свидетельствует о постепенном принятии вами нелогичной природы обсуждаемых явлений. Заключения квантовой механики и не должны казаться вам логичными.

Как думать о фокусе с двумя прорезями с участием атомов. Когда атом вылетает из пушки, его волновая функция локализована в пространстве, но по дороге к прорезям она распространяется. Фактически контурные кривые изображают не саму волновую функцию, а вероятностное распределение, хотя визуализировать эту величину гораздо сложнее даже с математической точки зрения. Кривые здесь интерпретируются точно так же, как контурная карта гористой местности: внутренние контуры означают самую высокую вероятность обнаружения атома. Достигнув прорезей, волновая функция начинает одновременно проходить сквозь обе. По другую сторону экрана две части волновой функции формируют суперпозицию, вероятностное распределение которой выглядит существенно иначе (из-за интерференции двух частей). К тому времени как волновая функция достигает экрана, распределение становится таким, что атом с высокой вероятностью достигает одного места, не имея при этом вероятности достичь остальных. Хотя конкретный атом проявляет себя только в одном месте, статистически большое число атомов, обладающих одинаковым вероятностным распределением, в итоге составит наблюдаемую картину. Важно заметить, что на этом рисунке изображена всего лишь временная эволюция математической величины, а не физического атома. Большинство физиков утверждают, что неверно считать волновую функцию и атом отдельными физическими сущностями. Следовательно, вопрос о том, как ведет себя атом по достижении прорезей, остается открытым. Различные решения этой проблемы мы обсудим в Главе 6.

Каждый атом, испускаемый в сторону прорезей, описывается волновой функцией, которая со временем видоизменяется. Эта волновая функция имеет вероятностную природу и сообщает нам лишь вероятное положение атома. Здесь очень важно подчеркнуть, что, хотя мы и не можем считать, что крошечный атом вдруг превращается в развернутую волновую функцию, волновая функция дает нам единственный способ отследить атом с момента его вылета из пушки до момента достижения им конкретной точки на втором экране.

По достижении прорезей волновая функция – будучи распространенной – разделяется надвое, и каждая из ее частей проходит сквозь одну из прорезей. Обратите внимание, что здесь я описываю, как изменяется математическая величина, а путем решения уравнения Шрёдингера я могу сказать, как волновая функция выглядит в каждый конкретный момент времени. Я точно не знаю, что именно происходит, и даже не могу сказать наверняка, что что-то происходит вообще, так как для проверки мне нужно установить наблюдение, а любое наблюдение изменяет итоговый результат.

Проходя сквозь обе прорези, волновая функция атома представляет собой суперпозицию двух частей, каждая из которых обладает самой большой амплитудой в соответствующей прорези. Если бы состояние атома описывалось только одной из этих частей волновой функции, мы бы сказали, что он точно прошел через соответствующую ей прорезь. Однако на самом деле суперпозиция двух частей означает, что существует равная вероятность его прохождения сквозь любую из прорезей.

По другую сторону прорезей каждая часть волновой функции снова распространяется и оба набора волн накладываются друг на друга таким образом, что по достижении экрана их совокупный эффект дает характерную полосатую картину, которую мы видим при интерференции двух настоящих волн. Только теперь мы имеем дело не с реальной волной, которая накатывает на экран, а с набором чисел, которые дают нам вероятность появления отдельной частицы в конкретном месте.

Пока частица не ударилась об экран, для описания реальности у нас есть только волновая функция. Эта волновая функция не является собственно атомом, а представляет собой лишь наше описание поведения атома в то время, пока мы за ним не наблюдаем. Она также дает нам всю информацию, которую мы можем надеяться получить о состоянии атома, если бы нам нужно было на него взглянуть. Следовательно, учитывая, что мы имеем дело лишь с тем, как выглядит волновая функция в каждый конкретный момент времени, и в соответствии с правилами используем ее, чтобы рассчитать вероятность нахождения атома в определенном месте и обладания им определенными свойствами, мы без проблем можем работать с ней. Так поступают практически все физики. Это связано с тем, что они отчаялись выяснить, что именно происходит на самом деле, используя идеи, основанные на механике Ньютона.