Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Любопытно, что произойдет, если пропускать эти «карамельки» через прорези экрана по одной. Ведь не получится же так, что наша «карамелька» пройдет через обе прорези одновременно и сама с собой интерферирует, а?

Что ж, какой бы невероятной задача ни казалась, выполнить ее возможно — с помощью фильтров, которые сократят интенсивность света, позволяя пропускать через прорези фотон за фотоном. Вместо того чтобы после прохождения через прорезь ударяться о стену, каждый фотон улавливается высокочувствительной камерой и записывается в виде белой точки.

Поначалу кажется, будто электроны располагаются в случайном порядке, однако по мере увеличения количества белых точек вырисовывается довольно любопытная картина:

Видите, что получается? Фотон за фотоном, и начинает угадываться знакомая схема{155}

Образовались светлые и темные области, своим расположением точь-в-точь повторяющие интерферирующие края на схеме Юнга. При этом большая часть фотонов сконцентрировалась в тех местах, где предполагались светлые участки, и совсем мало фотонов оказалось в тех местах, где предполагались темные участки. Выходит, данная схема нисколько не отличается от оптической схемы интерферирующих волн. Можно предположить, как выразился Поль Дирак, один из ученых, стоявших у истоков квантовой физики, что «каждый фотон интерферирует исключительно сам с собой».^{156} Вы подумаете: то, чем фотон занимается наедине с собой в затемненном боксе, касается его одного. Однако Дирак при этом подчеркивает: у нас нет ни малейшей догадки о том, почему отдельные фотоны иногда ведут себя как волны.

«Портрие. Порт» (1888) Поля Синьяка

Собравшиеся таким образом точки напоминают одно направление в живописи — пуантилизм. Получившуюся схему можно сравнить с картиной Поля Синьяка 1888 года, на которой он изобразил мелкую рябь в порту Портрие в Бретани. Наверняка это самая утомительная манера письма: художник касается холста кистью, нанося маленькие точки — одну за другой. (Наиболее известной картиной данного жанра считается «Воскресный день на острове Гранд-Жатт» Жоржа-Пьера Сера. Подумать только, на ее написание у художника ушло два года!) Ну хорошо, точки на холсте ставит художник. Но вот кто располагает фотоны? Чья таинственная рука управляет их размещением на экране, поначалу хаотичным, однако со временем вырастающим в пуантилистическую схему волновой интерференции?

Складывается такое впечатление, будто путь каждого фотона определяется волной — словно свет ведет себя как волна при движении и как частица при контакте с камерой[67]. «Как только возникла частица, — сказал физик Джордж Паджет Томсон, — волна исчезла, как исчезает сон при пробуждении».^{157} Таков на первый взгляд противоречивый мир квантовой механики, в рамках которой двойственность поведения электромагнитных волн теперь может быть объяснена математически. Противоречивое поведение света в теорию вполне укладывается, но вот приблизила ли она нас к пониманию того, что свет, собственно, такое? Ричард Фейнман, квантовый физик с мировым именем, считает, что нет: «Дело в том, что мои студенты-физики тоже этого не понимают. Потому что я сам этого не понимаю. Никто не понимает».^{158}

Большинство квантовых физиков твердят о том, что природа света для них так же загадочна, как и для людей обычных, к науке никакого отношения не имеющих. В 1951 году сам Эйнштейн писал:

«За пятьдесят лет напряженных размышлений я так и не нашел ответа на вопрос: «Что такое кванты света?» Само собой, в наше время каждый дурак считает, что знает ответ, однако он глубоко заблуждается».^{159}

* * *

Двойственность света состоит в том, что он может быть описан с точки зрения частоты (красный — как самый низкочастотный видимый спектр, синий/фиолетовый — как самый высокочастотный) или энергии его фотонов (фотоны красного цвета обладают наименьшим количеством энергии, фотоны синего/фиолетового цвета — наибольшим).

Но двойственную природу — и волны, и частицы — демонстрирует не только видимый свет. В этом замечены все электромагнитные волны — они могут быть описаны и с точки зрения их частоты, длины волн, и с точки зрения энергии их фотонов. Те волны, частота которых ниже частоты волн видимого света, и есть волны первой необходимости в мире коммуникаций: радиоволны, микроволновое излучение и инфракрасные волны. К волнам с частотой выше частоты волн видимого света относятся ультрафиолетовые волны, рентгеновское и гамма-излучение.