Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

В своих «Лекциях по физике» американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что «вещи предельно малого масштаба ведут себя совершенно не так, как то, к чему вы привыкли». Тем не менее, как прекрасно понимал Фейнман, даже самому знающему физику легко проигнорировать сложности квантовой механики и, несмотря на глубокое понимание предмета, представить, что электроны, протоны, нейтроны и другие частицы «там, внизу» подобны телам «здесь, наверху» – то есть отдельным твердым телам, которые проходят от точки А к точке В по совершенно определенному пути, и что, если мы по какой-то причине теряем их на пути, они все равно никуда не исчезают и пребывают в определенный момент времени в определенном месте. Впрочем, можно поставить эксперимент, демонстрирующий, что в квантовом мире все происходит совсем иначе. Это принципиальным образом противоречит предположению, которое с давних времен составляет основу научного восприятия мира: мы так или иначе можем вообразить фундаментальные вещи. Наиболее зримой и впечатляющей демонстрацией, подтверждающей, что наша убежденность в силе человеческого воображения есть заблуждение и что жизнь квантового мира невозможно вообразить, является вариант эксперимента с двумя щелями, проведенного Томасом Юнгом, но на этот раз с использованием не света, а элементарных частиц – электронов. Из-за технических сложностей, связанных с подготовкой данного эксперимента, и из-за того, что он проходит в несколько этапов, он – единственный из десяти самых красивых экспериментов – не связан с именем определенного ученого. О нем просто говорят как о двухщелевом эксперименте или об эксперименте с квантовой интерференцией. Судя по моему опроснику, он намного опередил по популярности другие эксперименты. Разумеется, мой опрос нельзя назвать строго научным, однако вряд ли можно усомниться в том, что благодаря своей простоте, убедительности и впечатляющему характеру описываемый эксперимент займет одно из первых мест в любом списке самых красивых научных экспериментов.

* * *

В своем лекционном курсе и в других книгах Фейнман элегантно описал странную природу поведения квантов, сравнивая три «двухщелевых» эксперимента: один – с использованием пуль (частиц), второй – с использованием воды (волн) и третий – с использованием электронов (того и другого и ни того, ни другого) – чтобы в каждом случае продемонстрировать сходство и различие «путем сравнений и противо-поставлений»149.

Вначале, говорит Фейнман, представьте себе эксперимент, в котором пулемет ведет беспорядочную стрельбу по бронированной стене, в которой проделаны два маленьких отверстия и за которой стоит мишень. У каждого отверстия имеется затвор, который может его полностью закрывать. Величина каждого отверстия такова, что в него только-только может пролететь пуля и затем попасть в мишень. Все пули за редким исключением попадают в мишень в одних и тех же двух местах. Небольшое количество пуль рикошетирует от краев отверстий и отлетает в сторону под тем или иным углом так, что мы не можем точно знать, куда попадет та или иная из них. Затем можно подсчитать число пуль, попавших в определенное место мишени.

Цель эксперимента состоит в том, чтобы измерить вероятность попадания пули в одно конкретное место. Начав стрельбу и проведя измерения, мы сразу же обнаружим, что мишень регистрирует только целые пули – там никогда не будет половинок или частичек от пуль. Таким образом, пишет Фейнман, распределение пуль будет в целых числах представлять определенное количество целых пуль. Также обнаружится, что вероятность отыскания пули в некоем определенном месте, когда оба отверстия 1 и 2 открыты, равна сумме вероятностей того же в том случае, когда названные отверстия открыты по отдельности. Другими словами, на вероятность того, что пуля пролетит сквозь отверстие 1, никак не влияет тот факт, открыто или закрыто отверстие 2150. Можно немного перефразировать сказанное: если при стрельбе по мишени определенный процент выстрелов попадает в «яблочко», этот процент никак не изменится, если рядом установить другую мишень и вести стрельбу одновременно по двум мишеням. Фейнман называет подобное состояние «без интерференции».

А теперь, говорит Фейнман, представьте себе второй эксперимент, на сей раз с резервуаром воды и волновой установкой вместо пулемета. В этом эксперименте у нас также имеется стена с двумя отверстиями, абсорбирующая стенка, или «берег», на другой стороне, который не отражает волны, ударяющие по нему, и передвижной детектор, измеряющий силу движения волны (на самом деле он измеряет высоту или амплитуду волны и возводит это число в квадрат, чтобы получить значение интенсивности). По сути, мы имеем дело с юнговским экспериментом с двумя щелями, только материалом здесь служит вода.