Знание-сила, 2004 № 01 (919)

Квантовая механика — очень трудная наука, выводы которой часто противоречат здравому смыслу и нашему повседневному опыту. Неискушенному человеку трудно поверить в "придуманные физиками" соотношения неопределенностей. Кому придет в голову сомневаться в том, что у катящейся по столу горошины есть одновременно координата и скорость? Казалось бы, то же должно быть и для любой микрочастицы. Что из того, что она маленькая? Нужно просто научиться точным измерениям.

А вот опыты с микрочастицами говорят, что это не так. Пытаясь при измерении координаты "приколоть" частицу к точке, мы всякий раз передаем ей импульс. На тяжелую горошину это почти не оказывает влияния, а, например, легкий электрон, как живчик, прыгает при этом от одной точки к другой. Получается, что говорить одновременно о координате и скорости просто бессмысленно. Это — несовместимые понятия. Если измерена координата, мы можем говорить о частице, если же точно известна скорость — мы имеем дело фактически с распределенной в пространстве волной, которую не опишешь одной- единственной координатой.

Этого нельзя понять, ведь "понять" означает уменье выразить нечто новое через более привычные понятия, а квантовые понятия нельзя выразить через понятия, известные нам из школы ньютоновской физики. Квантовые понятия надо просто принять — привыкнуть к ним.

Студентом я никак не мог осмыслить фразу из учебника квантовой механики Д.И. Блохинцева: "Фотон нельзя представлять себе поплавком на гребне квантовой волны", и однажды сказал об этом Блохинцеву. Он с присущим ему юмором посоветовал: "А вы прочитайте эту фразу раз пятьдесят и всякий раз старайтесь понять, что бы это значило. Когда будет читать пятьдесят первый раз, вам все это покажется изначально очевидным!"

Проходя сквозь преломляющий кристалл, фотон расщепляется на два дочерних (ротона со взаимно перпендикулярной поляризацией, поэтому, измерив направление поляризации фотона А сразу узнаем, какова поляризация фотона Б. Телеграфное сообщение наблюдателям в точке 2 о том, какое будет результот их измерения, покажется им похожим на откровение дельфийского оракула или пророчества болгарской предсказательницы Ванги.

Измерение поляризации фотонаХ превратило бы его в фотон со случайным направлением поляризации. Однако можно измерить относительную поляризацию фотонов АиХ,не изменяя их собственной. Физики умеют это делать. Теперь, зная относительные поляризации пар А -X и А-Б, можно телеграфировать в точку 2, как нужно повернуть вектор поляризации и фотона Б, чтобы он стал неотличимой копией фотона X.

Принципиальную несводимость квантовых представлений к ньютоновским постоянно подчеркивали создатели квантовой науки, хотя с этим не соглашался Эйнштейн. Он полагал, что мы имеем дело всего лишь с временными "строительными лесами" на здании будущей физики, и пытался найти примеры, которые доказали бы неполноту квантовой теории, в силу которой она и приводит к парадоксам.

Один из таких примеров, который Эйнштейн придумал вместе с двумя своими коллегами, сводится к следующему. Частица света фотон, проходя через кристалл кальцита, превращается в два фотона с одинаковой (половинной) энергией и взаимно перпендикулярными поляризациями: у одного фотона колебания электрического поля происходят вертикально, у другого — горизонтально. При этом мы не знаем, у какого фотона какая поляризация. Известно лишь, что они перпендикулярны друг другу. Чтобы узнать их, один фотон (будем называть его "фотон А") направим в точку 1, где стоит анализатор поляризаций, а второй фотон (Б) пусть летит в точку 2, где есть свой анализатор. Точки 1 и 2 удалены друг от друга, и между приходящими туда фотонами нет никакой материальной связи.