На лужайке Эйнштейна

Квантовая теория оказалась посложнее. Все книги по физике, которые я прочитала, предупреждали, чтобы я не впадала в уныние, когда мой мозг плавится в попытках понять ее. Если квантовая теория покажется сумасбродной, предупреждали они, не надо волноваться. Она таковой и является. Как бы подкрепляя сказанное, те же книги цитировали некоторых гениальных физиков, которые признавались, что никто не понимает квантовой физики, и если этого было недостаточно, чтобы утешить читателя, они в качестве неоспоримого аргумента приводили некоторые возражения Эйнштейна.

Но мне не очень нравится, когда тебя гладят по головке и говорят: не волнуйся, если ничего не понимаешь. Квантовая теория – это такая мистерия? Или это и в самом деле наука?

После прочтения большого количества так называемых объяснений теории мне стало ясно, что все мои надежды на понимание квантовой механики держались на одном-единственном эксперименте: с прохождением света через двойную щель. Он состоит в следующем.

Физики направляют луч лазера на экран с двумя параллельными щелями. Свет проходит через щели и попадает на фотопластинку, расположенную за экраном. Если свет состоит из частиц – а Эйнштейн уже доказал, что это так, – следовало бы ожидать два пятна света напротив каждой щели. Но вместо этого вы увидите череду светлых и темных вертикальных полос, похожих на штрих-код.

Физики поняли, что могут объяснить появление штрих-кода, предположив, что свет – это волна, которая дробится на две части при прохождении через щели и затем восстанавливается при сложении этих двух частей за экраном. Когда части волны складываются, они не обязательно попадают в фазу. В местах, где эти две волны находятся в фазе, они усиливают друг друга, давая яркую полоску света, регистрируемую пластинкой. В местах, где они находятся в противофазе, они взаимно уничтожаются, и остаются только темные полоски.

Ну, хорошо, все это кажется немного странным, но это ерунда по сравнению с тем, что происходит дальше. Физики повторяют эксперимент, уменьшив интенсивность лазера до уровня одного фотона в импульсе света, производимого лазером. После каждого такого импульса на фотопластинке за экраном, как и ожидается, появляется новая точка. Так продолжается до тех пор, пока на фотопластинке не прорисуется изображение, состоящее из множества точек. Оказывается, проходя через щели в экране, импульсы лазера медленно, но верно создают ту же интерференционную картину, состоящую из светлых и темных полос.

На основе этого опыта во всех книгах делается вывод о том, что свет ведет себя и как частица, и как волна – это так называемый корпускулярно-волновой дуализм; но при измерениях свет – всегда частица. Единичный фотон неизменно будет зарегистрирован в одной конкретной точке. Только когда вы попытаетесь построить распределение этих точек на поверхности, вы обнаружите, что свет – это волна.

Волна, которая описывает квантовую частицу, – это математическая волна, волновая функция. Если физические волны переносят энергию, то математические волновые функции переносят вероятность. Квадрат амплитуды волновой функции в любой точке пространства определяет вероятность нахождения в этой точке частицы. Если сделать достаточно много измерений положений точек света в пространстве, то получится карта распределения вероятности.

Насколько я могу судить, то, что распределение вероятности для одной частицы можно представить в виде волны, не так уж и странно. Странно то, что интерференционная картина возникает даже в том случае, когда фотоны летят поодиночке. Распределение вероятности, изображаемое чередованием светлых и темных полос, не закодировано в волновой функции единичного фотона – такое распределение получается в результате сложения двух волновых функций. Можно подумать, что один фотон проходит одновременно через обе щели и его волновая функция делится на две. Складываясь за экраном, они интерферируют друг с другом, и в результате получается новая волновая функция. В этом случае отдельные фотоны будут распределены в соответствии с новой волновой функцией, отчего и возникают чередующиеся светлые и темные полосы.

Если закрыть вторую щель и повторить эксперимент с однофотонными импульсами света, то интерференционная картина исчезает. Распределение интенсивности светового пятна на фотопластинке будет соответствовать волновой функции единичного фотона. Интерференционные полосы появляются только в случае, когда обе щели открыты.

Наконец, книги повествуют еще об одном варианте того же эксперимента, который физики проводят в попытке понять, каким образом фотон проходит через обе щели сразу. Они оставляют обе щели открытыми, но на этот раз снабжают их детекторами, которые срабатывают, определяя, через какую из щелей проходит фотон. Затем лазер снова включают в однофотонном режиме и направляют луч на экран с двумя щелями, которые до этого давали интерференционную картину. Но на этот раз на фотопластинке появляются два пятна, соответствующих волновой функции единичного фотона. Как если бы фотон знал, что это за ним следят.