Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Иными словами, проходя через две щели, электроны оставляют безошибочно узнаваемый интерференционный узор, подобно волнам, и одновременно отдельные метки, подобно частицам. Этот феномен породил массу бесплодных дискуссий о том, чем же «на самом деле» являются электроны – частицами или волнами или же иногда они подобны частицам, а в другое время – волнам. Так или иначе, что-то, бесспорно, проходило через обе щели, когда электроны летели к экрану.

В данный момент нас это уже не удивляет. Электроны, проходящие сквозь щели, описываются волновой функцией, которая очень похожа на классическую волну, проходящую через обе щели и колеблющуюся вверх и вниз. Поэтому логично, что мы наблюдаем интерференционную картину. Затем, когда электроны достигают экрана, мы можем наблюдать их в виде точечных частиц.

Теперь добавим еще один нюанс. Допустим, что рядом с каждой из щелей мы установили маленькие детекторы, с помощью которых сумеем определить, прошел ли электрон через щель. Так мы разберемся с безумной идеей, будто электрон может пройти через обе щели сразу.

Должно быть, вы догадываетесь, что мы увидим. Детекторы не покажут, что половина электрона прошла через одну щель, а вторая половина – через другую; каждый раз детектор у одной из щелей зафиксирует целый электрон, а детектор у второй не зафиксирует ничего. Дело в том, что детектор действует как измерительный прибор, а при измерении электронов мы наблюдаем их как частицы.

Но это не единственное следствие наблюдения за тем, как электрон проходит через щели. Интерференционный узор на экране исчезнет, и мы вновь увидим две полосы отметок, оставленных обнаруженными электронами, – по одной напротив каждой из щелей. Когда детектор работает, волновая функция коллапсирует в момент прохода электрона сквозь щели, и поэтому мы не видим интерференционной картины от волны, проходящей через обе щели сразу. Когда на электроны смотрят, они ведут себя как частицы.

Эксперимент с двумя щелями мешает цепляться за убеждение, что электрон подобен отдельной классической точке, а волновая функция просто отражает наше незнание о том, где эта точка находится. Из-за незнания не возникает интерференционных картин. Волновая функция реальна.

⚪ ⚪ ⚪

Возможно, волновые функции и реальны, но весьма абстрактны, и как только мы пытаемся рассмотреть более одной частицы одномоментно, визуализировать их становится сложно. По мере того как мы будем продвигаться вперед, рассматривая на практике все более тонкие квантовые явления, нам очень пригодится простой, легко усваиваемый пример, к которому мы сможем обращаться снова и снова. Спин частицы – еще одна степень свободы наряду с ее координатой и импульсом – именно то, что нам надо. Давайте ненадолго поломаем голову над тем, что означает спин в квантовой механике, но, когда мы с ним разберемся, станет гораздо проще.

Сам феномен спина понять не сложно – это всего лишь вращение вокруг оси, подобно вращению Земли или балерины, выполняющей пируэт. Но как и в случае с энергиями электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, в квантовой механике при измерении спина частицы мы можем получить лишь определенные дискретные значения.

Например, для электрона существует всего два возможных результата измерения спина. Сначала выберем ось, вдоль которой будем измерять спин. При взгляде вдоль этой оси мы в любом случае обнаружим, что электрон вращается либо по часовой стрелке, либо против нее, причем всегда с одинаковой скоростью. Такие спины принято называть «верхним» и «нижним». Помните о «правиле правой руки» (правиле буравчика): если сжать четыре пальца правой руки в направлении вращения, то отставленный большой палец будет направлен вдоль соответствующей вращению вертикальной оси.

Вращающийся электрон подобен крошечному магниту, у которого, как и у Земли, есть северный и южный магнитные полюса; ось спина указывает на северный полюс. Один из способов измерить спин конкретного электрона – пропустить его через магнитное поле, которое немного отклонит электрон в зависимости от того, как ориентирован его спин. (Техническая деталь: чтобы это сработало, магнитное поле должно быть правильным образом сфокусировано: в одних местах напряженность поля должна быть более высокой, а в других – более низкой[10].)

Если я скажу вам, что электрон имеет определенный суммарный спин, то для данного эксперимента вы можете сделать следующий прогноз: электрон будет отклоняться вверх, если ось его спина ориентирована строго по внешнему полю, и отклоняться вниз, если ось спина ориентирована строго в противоположном направлении, а также отклоняться на некоторый промежуточный угол, если его спин будет ориентирован как-то иначе. Но в реальности мы наблюдаем другое.