Текст книги "Квант"

Джим Аль-Халили
Квант

Jim Al-Khalili

Quantum. A Guide for the Perplexed

© Jim Al-Khalili, 2003

© Мамедьяров З. А., Фоменко Е. А., перевод на русский язык, 2017

© Издание на русском языке, оформление. ООО Группа Компаний «РИПОЛ классик», 2019

* * *

Эта книга посвящается моему отцу, которому я обязан в том числе и тем, что он первым рассказал мне о странной теории под названием «квантовая механика».

Введение

Будучи подростком, я зачитывался журналом «Необъясненное», который был полон свидетельств об НЛО, историй о Бермудском треугольнике и множестве других паранормальных явлений. Помню, как я с замиранием сердца открывал каждый новый номер, чтобы удостовериться, что мир полон странных и необъяснимых событий, которые никто не понимает. Больше всего мне нравились потрясающие фотографии, которые как будто были сделаны трясущимися руками на дешевую камеру в густом тумане темной ночью. Они якобы были свидетельствами того, что летающие тарелки, призраки и лох-несские чудовища действительно существуют. Особенно мне запомнился жуткий снимок отделенной от тела обугленной старушечьей ноги в мягком тапке, которая лежала рядом с кучей пепла в гостиной: только это и осталось от несчастной дамочки после случая «спонтанного человеческого самовозгорания».

Понятия не имею, выходит ли этот журнал до сих пор – лично я точно давным-давно его не видел, – но людей и сейчас очаровывают всевозможные паранормальные явления, которые до сих пор не классифицированы и не разложены по полочкам традиционной наукой. Такое впечатление, что многим нравится осознавать, что и по сей день в нашем мире существуют уголки, куда наука еще не проникла, где все еще живы магия и тайна, как будто присущие другому миру.

И это грустно. Мне кажется печальным, что все победы науки по объяснению и рационализации множества явлений нашей Вселенной порой считаются слишком обыденными, лишенными чуда. Это печалило и физика Ричарда Фейнмана, который в 1965 году стал лауреатом Нобелевской премии за свой вклад в наше понимание природы света. Он написал:

«Поэты утверждают, что наука лишает звезды красоты, говоря, что это просто скопления атомов газа. Но в этом нет ничего „простого“. Я тоже вижу звезды ночью в пустыне, я тоже чувствую их. Но вижу ли я меньше или больше?.. Каков узор, какова суть, почему все это? То, что я знаю об этом немного больше, ничуть не умаляет всей загадочности. Ибо гораздо более удивительно то, что об этом думали и все художники прошлого. Так почему поэты настоящего об этом не говорят?»

В наши дни, когда наука популяризируется в книгах, журналах, документальных фильмах и в Интернете, отношение к ней, как я полагаю, меняется. И все же остается одна область науки, которую невозможно полностью рационализировать, используя разговорный язык, или объяснить на пальцах. Я говорю не о спекулятивных, полусырых идеях, основанных на всяких псевдонаучных аргументах вроде экстрасенсорного восприятия или, еще того хуже, астрологии. Напротив, эта область знаний считается передовой сферой науки. На самом деле она столь вездесуща, столь фундаментальна для нашего понимания природы, что объединяет в себе значительную часть всех физических дисциплин. Она описывается теорией, открытие которой, вне всякого сомнения, стало самым важным научным прорывом двадцатого столетия. По удивительному совпадению, именно ей и посвящена настоящая книга.

Квантовая механика примечательна по двум, на первый взгляд, противоречивым причинам. С одной стороны, она столь фундаментальна для нашего понимания принципов работы этого мира, что лежит в сердце большинства технологических сдвигов последней половины XX века. С другой стороны, кажется, никто ее не понимает!

Когда речь заходит о мире кванта, мы ступаем на удивительную территорию. На территорию, где мы как будто вольны выбрать любое из множества объяснений наблюдаемых явлений, каждое из которых так поразительно, что в сравнении с ним логичными кажутся даже истории о похищении пришельцами.

Если бы только люди знали, насколько ужасно и в то же время волшебно необычен на самом деле квантовый мир, если бы они только догадывались, на каком загадочном, неописуемом фундаменте покоится наша знакомая и цельная реальность! Зачем нужны истории о Бермудском треугольнике и проделках полтергейстов, когда квантовые феномены гораздо удивительнее их? В то время как практически любой известный паранормальный инцидент можно объяснить, всего лишь обратившись к здравому смыслу, квантовую теорию тестируют, прощупывают и исследуют всеми возможными способами уже без малого сотню лет. Жаль, что ни одна из гипотез квантовой механики ни разу, насколько мне известно, не попала на страницы «Необъясненного».

Стоит сразу пояснить, что странной и нелогичной кажется не сама теория квантовой механики. Напротив, она представляет собой потрясающе точную и логичную математическую конструкцию, которая превосходно описывает Природу. На самом деле без квантовой механики мы не смогли бы понять основы современной химии, электроники и материаловедения. Без квантовой механики мы не изобрели бы ни кремниевый чип, ни лазер; не было бы ни телевизоров, ни компьютеров, ни микроволновых печей, ни CD – и DVD-плееров, ни мобильных телефонов, ни многих других устройств, которые мы в наш технологический век принимаем как должное.

Квантовая механика невероятно точно предсказывает и объясняет поведение самих кирпичиков материи – не только атомов, но и частиц, из которых они состоят. Она дает нам очень точное и практически полное понимание того, как субатомные частицы взаимодействуют друг с другом и соединяются, чтобы формировать мир, который мы видим вокруг и частью которого являемся сами.

Таким образом, перед нами встает противоречие: как может научная теория столь успешно объяснять все эти «как» и «почему» и в то же время оставаться столь загадочной?

Большинство практикующих физиков, которые ежедневно применяют правила и математические формулы квантовой механики, скажут, что они не видят в этом проблемы. В конце концов, они знают, что она работает. Она помогла нам объяснить огромное количество природных явлений, ее математический аппарат и формулировка точны и понятны и, несмотря на многократные попытки сомневающихся в их правильности, блестяще выдержали все возможные экспериментальные проверки, которым их подвергли. И правда, физики нередко сетуют на тех своих коллег, которые до сих пор не могут смириться с парадоксальной и необычной природой субатомного мира, сообщаемого нам теорией. К тому же какое право мы имеем ожидать, что природа на уровне невообразимо крохотных атомов будет вести себя хоть сколько-нибудь знакомо, когда мы ежедневно видим лишь ее поведение на уровне людей, машин, деревьев и домов? Дело не в том, что квантовая механика представляет собой странное описание Природы, а в том, что сама Природа ведет себя необычным и парадоксальным образом. А если квантовая механика дает нам теоретические инструменты, чтобы понять все, что мы наблюдаем, у нас нет никакого права винить Природу – или теорию – за наши интеллектуальные несовершенства.

Многие физики нетерпимы к тем, кто пытается найти более наглядную интерпретацию квантовой механики. В моем понимании, их подход ненаучен. Они говорят: «Может, просто заткнетесь и начнете использовать квантовые инструменты, чтобы предсказывать результаты экспериментов? Искать полное понимание того, что невозможно проверить экспериментальным путем, – пустая трата времени».

На самом деле стандартная интерпретация квантовой механики – та самая, которой обычно обучают всех студентов-физиков, – вывела строгие правила и условия, которых физики должны придерживаться в отношении той информации, которую они извлекают из Природы в каждом конкретном эксперименте. Понимаю, на первых страницах книги это покажется неуместно туманным, однако вы с самого начала должны осознавать, что квантовая механика не похожа ни на одну другую теоретическую концепцию, созданную человеком за всю историю науки.

Как и большинство физиков, я много лет рассуждал о квантовой механике и с профессиональной позиции практикующего исследователя, и с позиции человека, заинтересованного в ее более глубоком значении – в области, известной как основы квантовой механики. Быть может, тех двадцати лет, которые я провел с квантовой механикой, еще недостаточно, чтобы «смириться» с ней. Но я полагаю, что слышал достаточно мнений (а спор, поверьте мне, еще далек от завершения, несмотря на оптимистичные и несколько неискренние заверения сторонников конкретной интерпретации в обратном), чтобы хотя бы взглянуть на нее со стороны. Надеюсь, большая часть вопросов, освещаемых в этой книге, не вызовет противоречий, а при описании того, «что происходит сейчас», я постараюсь занять нейтральную и объективную позицию. Я не поддерживаю какую-то конкретную интерпретацию квантовой механики, но понимаю их. Вы, само собой, вольны не соглашаться со мной, но я не сомневаюсь, что смогу склонить вас на свою сторону, если, конечно, вы не один из тех, кто вечно кричит «заткнись и считай», хотя в этом случае вам не стоит читать эту книгу, ведь у вас есть дела и поважнее!

Пока что я скажу лишь, что моя любимая версия интерпретации называется «заткнись, пока считаешь». Она позволяет мне не переживать о квантовой механике, пока я применяю ее на практике.

Но эта книга рассказывает не только о значении квантовой механики. Она также описывает ее успехи как в объяснении огромного количества феноменов, так и во множестве способов ее применения в нашей повседневной жизни в прошлом, настоящем и будущем. Таким образом, я вместе с вами отправлюсь в путешествие от философии, физики субатомных частиц и теорий больших размерностей к сегодняшнему технологичному миру лазеров и микрочипов и завтрашнему удивительному миру квантовой магии.

Однако, хоть я и надеюсь, что это звучит захватывающе, новичку в этой области вполне естественно спросить, к чему такая шумиха. Странную природу квантовой механики можно продемонстрировать разными способами – и на примерах из жизни, которые всем нам знакомы и которые мы воспринимаем как должное, и с помощью «мысленных экспериментов», то есть идеализированных опытов, которые нет необходимости проводить в лаборатории, чтобы получить результат. И нет ничего, что бы так прямолинейно и так прекрасно описывало таинственную сущность квантовой механики, как эксперимент с двумя прорезями. С него мы и начнем.

Глава 1. Фокус природы

Вместо того чтобы сыпать научными терминами на первых же страницах этой книги, я сначала опишу простой эксперимент. Позволю себе предположить, что он покажется вам настоящей магией. Вы можете мне не поверить – тут уж вам решать. Любой фокусник оберегает свои секреты, так что я не стану сразу объяснять вам, как именно и почему это происходит. Однако, в отличие от случая с фокусами, узнавая о квантовом мире все больше, вы постепенно поймете, что здесь дело не в ловкости рук, не в спрятанных зеркалах и не в потайных перегородках. На самом деле вы должны прийти к выводу, что рационального объяснения описываемому мной положению вещей просто не существует.

Поскольку я уже и так слишком много раз использовал прилагательные «странный», «загадочный» и «удивительный», я больше не буду тратить время на предисловия и перейду к делу. Я собираюсь описать настоящий эксперимент, и вам придется поверить, что наблюдаемое – это не просто теоретические спекуляции. Провести этот эксперимент при наличии должного оснащения несложно; к нему прибегали неоднократно и по-разному. Также важно уточнить, что я опишу эксперимент не с позиции человека, который понимает квантовую физику, а с позиции читателя, который еще не знает, чего ожидать и как принять поразительные результаты. Полагаю, вы попробуете осознать их с точки зрения логики, опираясь на тот свод правил, которые считаете здравым смыслом, однако квантовые физики объясняют все иначе. Но об этом позже.

Прежде всего стоит сказать, что фокус – с вашего позволения я все же пока буду называть его фокусом – можно повторить, просто направив луч света на специальный экран; именно так эту процедуру и описывают во многих текстах. Однако в действительности природа света и сама по себе довольно необычна, из-за чего эффект становится не столь драматичным. В школе нас учат, что свет ведет себя, как волна, и может состоять из волн разной длины (что и дает разные цвета спектра, которые мы видим в радуге). Он демонстрирует все свойства, характерные для волн, включая интерференцию (наложение двух волн), дифракцию (рассеивание волн при прохождении сквозь узкое отверстие) и рефракцию (искажение волн при прохождении сквозь разные прозрачные субстанции). Эти феномены связаны с тем, как волны ведут себя, когда встречают на своем пути препятствия или когда встречаются друг с другом. Я же упомянул о необычной природе света потому, что его волновое поведение не описывает всей картины. На самом деле Эйнштейн получил Нобелевскую премию, показав, что свет может демонстрировать совсем не волновое поведение, но подробнее об этом мы поговорим в следующей главе. Для эксперимента с двумя прорезями достаточно предположить, что свет является волной, так как в этом случае все складывается как нельзя интереснее.

Сначала пучок света направляется на экран с двумя узкими прорезями, которые позволяют части света проникнуть сквозь них и упасть на второй экран, где наблюдается картина интерференции. Эта последовательность светлых и темных полос возникает в результате того, что отдельные световые волны, проникающие сквозь прорези, рассеиваются, накладываются друг на друга и сливаются, прежде чем попасть на задний экран. Там, где два гребня (или две впадины) волн встречаются, они сливаются вместе и образовывают более высокий гребень (или более глубокую впадину), который соответствует более интенсивному свету и, следовательно, более яркой полосе на экране. Но там, где гребень одной волны встречается с впадиной другой, они взаимоисключают друг друга, в результате чего на экране появляется темная полоса. Некоторое количество света между этими двумя крайностями сохраняется, поэтому рисунок на экране получается несколько размытым. Следовательно, интерференция наблюдается исключительно потому, что свет ведет себя, как волна, и проникает одновременно через обе прорези. Надеюсь, здесь вопросов еще нет.

Подобный эксперимент можно провести с использованием песка. На этот раз второй экран располагается под первым и в дело вступает гравитация. Когда песок падает на верхний экран, на нижнем экране под прорезями образуются две отдельные кучки. В этом нет ничего удивительного, ведь каждая песчинка должна пройти либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь; в этом случае волн нет, а следовательно, не происходит и интерференции. Если прорези одинаковы по размеру, а песок на верхний экран высыпается ровно между ними, две кучки песка на нижнем экране будут одинаковы по высоте.

Проникая сквозь две узкие прорези, свет формирует полосы на экране вследствие интерференции световых волн, проходящих сквозь прорези. Само собой, это происходит, только если источник света «монохромен» (то есть дает свет с одинаковой длиной волны).

И тут мы переходим к самому интересному – пробуем повторить тот же фокус с атомами. Специальный аппарат – за неимением лучшего имени назовем его атомной пушкой – выстреливает пучок атомов на экран с двумя достаточно узкими прорезями[1]1
  Для этого эксперимента прорези действительно должны быть очень узкими и расположенными близко друг к другу. Такие эксперименты действительно проводились в 1990-х годах: в них использовался экран из золотой фольги с прорезями шириной один микрометр (одну тысячную миллиметра).


[Закрыть]. Второй экран покрывается специальным слоем, на котором вспыхивают крошечные огоньки, когда атом касается его.

Конечно, не стоит и говорить, что атомы представляют собой мельчайшие частицы, а следовательно, должны вести себя подобно песку, а не подобно распространенным волнам, которые могут проходить одновременно сквозь обе прорези.

Песчинки, само собой, не ведут себя, как волны, и формируют под прорезями две отдельные кучки.

Сначала мы проводим эксперимент, открыв только одну прорезь. Вполне ожидаемо на заднем экране за этой прорезью вспыхивают несколько отстоящие друг от друга огоньки. Это небольшое рассеивание огоньков может озаботить вас, если вы уже кое-что знаете о волновом поведении, ведь именно это происходит с волной, проходящей сквозь узкую прорезь (дифракция). Однако мы тут же заверяем себя, что волноваться пока не стоит, поскольку некоторые атомы могли задеть края прорези и отлететь в сторону, вместо того чтобы пройти прямо насквозь, что и может объяснить их рассеивание.

Далее мы открываем вторую прорезь и ожидаем, когда на экране появятся огоньки. Если бы я сейчас попросил вас предположить, как они распределятся на этот раз, вы бы, само собой, сказали, что они будут напоминать две кучки песка. Иначе говоря, что за каждой из прорезей образуется скопление огоньков, два отдельных световых пятна, более ярких в центре и постепенно меркнущих к периферии, куда атомы будут попадать реже. Расстояние между двумя световыми пятнами будет темным, соответствуя той области экрана, достичь которой атомам одинаково сложно, сквозь какую из прорезей они бы ни пролетали.

Теперь повторим тот же фокус с атомами. Когда одна из прорезей закрыта, атомы проходят только сквозь открытую прорезь. Распределение точек на заднем экране показывает, куда попали атомы. Хотя незначительный разброс и объясняется волновым свойством под названием дифракция, мы все же можем утверждать, что атомы ведут себя, как частицы, и результат эксперимента аналогичен тому, что мы видели в случае с кучками песка.

Что ж – сюрприз! – атомы ведут себя иначе. Вместо двух световых пятен мы видим картину интерференции, составленную светлыми и темными полосами, прямо как в случае со светом. И самой яркой частью экрана – хотите верьте, хотите нет – становится центр, где мы вообще не ожидали увидеть ни одного атома!

Мы можем попытаться объяснить, как это происходит. Хотя атом представляет собой крошечную локализованную частицу (в конце концов, каждый атом ударяется об экран в одной конкретной точке), потоки атомов как будто тайком договариваются друг с другом вести себя подобно волне. Атомы омывают первый экран, после чего те, которые сумели проникнуть сквозь прорези, «интерферируют» с путями друг друга посредством атомных сил таким образом, который в точности повторяет картину, получаемую при наложении друг на друга гребней и впадин двух волн. Возможно, атомы сталкиваются особым, согласованным путем и таким образом направляют друг друга на экран. Казалось бы, атомы совершенно не похожи на распространенные волны (такие как волны света и звука или водяные волны), но, вероятно, нам не следует и ожидать, что они будут вести себя в точности как песчинки.

Вот здесь земля и уходит у нас из-под ног. Начнем с того, что узор полос на заднем экране каким-то образом связан с тем, как интерферируют две волны. Как и в случае с обычными волнами, детали этой картины зависят от ширины прорезей, расстояния между ними и между экранами.

Само по себе это не является доказательством того, что атомы ведут себя подобно волнам. Однако эксперимент с двумя прорезями не только проводился с атомами, он проводился и в таких условиях, когда отдельные атомы выпускались по одиночке! Иначе говоря, новый атом выпускался только в тот момент, когда на заднем экране уже вспыхивал огонек, сигнализирующий о попадании предыдущего, и так далее. Таким образом в каждый момент времени через наш аппарат проходит лишь один атом. Каждый атом, которому удается пройти сквозь прорезь, оставляет крошечный огонек в некотором месте экрана. На практике большая часть атомов не проходит сквозь узкие прорези первого экрана, но нам интересны лишь те, которые все же пролетают сквозь них.

Наблюдаемое невероятно. Огоньков постепенно становится все больше, а там, где они располагаются особенно плотно, проявляются световые полосы картины интерференции. Между этими полосами возникают темные области, куда попадает очень мало атомов или не попадает вовсе.

Казалось бы, мы уже не можем утверждать, что атомы, пролетающие сквозь одну прорезь, сталкиваются с атомами, пролетающими сквозь другую. Картина интерференции не может быть результатом коллективного поведения. Так что тогда происходит? Особенно примечательным этот результат делает то, что на втором экране существуют области, куда атомы попадают, когда открыта только одна из прорезей. Открывая вторую прорезь, мы предоставляем атомам другой маршрут и ожидаем, что шансы на попадание атомов в эти области увеличатся. Однако, когда открыты обе прорези, атомы вообще не попадают туда. А значит, если атом действительно проходит только через одну прорезь, он должен каким-то образом понимать, открыта ли вторая, и действовать соответствующе!

Получается, что каждый атом, выстреливаемый из пушки, покидает ее в качестве крошечной «локализованной» частицы и попадает на второй экран тоже в качестве частицы, что подтверждается крошечным огоньком, который загорается, когда атом достигает места своего назначения. Но между этими событиями, в процессе прохождения сквозь прорези, с ним происходит что-то загадочное, подобное поведению распространенной волны, которая делится на две части, проходящие сквозь разные прорези и интерферирующие друг с другом по другую сторону первого экрана. Как иначе нам объяснить, как атом знает о существовании обеих прорезей?

Когда я показывал фокусы на днях рождениях своих детей – теперь мои дети стали уже слишком большими для таких глупостей, – среди гостей всегда находилась парочка умников, которые утверждали, что знают все мои секреты. Они требовали, чтобы я позволил им заглянуть к себе в рукава, за ширму и под стол, надеясь подловить меня на чем-то. Такое поведение обычно раздражает, но для научных экспериментов оно даже полезно. Так что давайте заглянем природе в рукав и притаимся за одной из прорезей, чтобы проследить, как на самом деле ведут себя атомы. Для этого можно установить за одной из прорезей детектор атомов, который ловит все атомы, проходящие сквозь нее. В результате мы увидим, что детектор время от времени будет ловить атомы, но ни разу не поймает часть атома. В ином случае мы могли бы сказать, что «оставшаяся часть атома» проходит сквозь другую прорезь. Конечно, иногда атомы будут проходить через другую прорезь и оставлять огоньки на втором экране. Само собой, распределение этих огоньков не будет показывать нам картину интерференции, потому что атомы снова будут проходить лишь сквозь одну прорезь, как и в первой части эксперимента, когда только одна прорезь была для них открыта. Вот только теперь, вместо того чтобы закрыть вторую прорезь, мы детектором поймали все атомы, которые прошли сквозь нее.

Наверное, вы уже начинаете сомневаться в истинности моих слов. Одно дело, когда атомы магическим образом превращаются из крошечных частиц в распространенные волны, встречая на своем пути два возможных маршрута прохождения сквозь первый экран. Может, здесь происходит еще не объясненный физический процесс. Однако совсем другое дело предположить, что атом каким-то образом знает о детекторе, который спрятан за одной из прорезей и готов поймать его в рассеянном состоянии. Такое впечатление, что он заранее знает, что мы лежим в засаде и караулим его, а потому он хитрит и остается в форме частицы!

Открыты обе щели, а атомы выстреливаются по одному за раз. Каждый следующий выпускается только тогда, когда на втором экране загорается огонек. Кажется, что каждый атом ударяется в произвольное место экрана и сначала нет никакого очевидного паттерна. Постепенно количество огоньков увеличивается, и мы начинаем видеть картину интерференции. Что происходит? Неужели атомы сговорились между собой, чтобы образовать эту картину, которая является результатом волнового поведения? Такое впечатление, что каждый атом с большей вероятностью ударяется в одни области, чем в другие. Очевидно, что в перемещении одного атома задействован какой-то волнообразный процесс. Но картина интерференции возникает только тогда, когда волна проходит сквозь обе прорези. Как крошечный атом, который вылетает из пушки в качестве локализованной частицы и в определенном месте ударяется о второй экран, проходит одновременно сквозь обе прорези?

Но даже здесь мы на самом деле ничего не добавили к изначальным условиям. Вероятно, детектор обладает способностью превращать рассеянную «волну» атома обратно в локализованную частицу, точно так же, как это делает второй экран, когда атом достигает его.

Детектор можно настроить и менее агрессивным образом, чтобы он просто регистрировал «сигнал», когда атом проходит сквозь наблюдаемую прорезь на пути к экрану. Если атом не регистрируется детектором, но на втором экране появляется огонек, это означает, что атом прошел сквозь другую прорезь[2]2
  Здесь я предполагаю, что детектор на 100 процентов эффективен и точно сработает, если атом пройдет через наблюдаемую прорезь.


[Закрыть]. Само собой, я говорю упрощенно: позднее мы увидим, что детектор не может зарегистрировать сигнал, не работая с должной степенью агрессивности.

Вы можете подумать, что у нас наконец появилось доказательство, что атомы проходят либо сквозь одну прорезь, либо сквозь другую, как мы по праву и ожидаем, и точно не через две прорези одновременно, подобно рассеянной волне. Но не радуйтесь раньше времени и взгляните на экран. Детектор зарегистрировал сигнал атомов, которые прошли сквозь наблюдаемую прорезь, и поэтому вы уверены, что половина прошла сквозь одну прорезь, а половина – сквозь другую, однако картина интерференции при этом пропала! Вместо нее на экране видны всего два ярких световых пятна напротив каждой из прорезей. Теперь атомы повели себя, как частицы, прямо как песчинки. Такое впечатление, что атом ведет себя, как волна, при встрече с прорезями, однако если мы следим за ним, он невинно остается крошечной частицей. С ума сойти, правда?

При добавлении детектора, который регистрирует, сквозь какую из щелей прошел атом, картина интерференции исчезает. Такое впечатление, что атомы не хотят, чтобы кто-то увидел, что они проходят одновременно сквозь обе прорези, и выбирают лишь одну из них. Две полосы, образующиеся на экране напротив прорезей, являются результатом поведения в духе частиц – такую же картину мы наблюдаем и при проведении опыта с песком.

Внизу: Детектор отключен, и мы не знаем, какой путь выбирает каждый из атомов. Теперь, когда ничто не угрожает раскрыть их тайну, атомы возвращаются к поведению в духе волн, и мы снова видим картину интерференции!

Конечно, вы можете оказаться одним из тех, кого не так-то просто впечатлить, и даже сейчас решите, что в этом нет ничего особенно удивительного. Быть может, само присутствие большого детектора на пути атомов каким-то образом влияет на их странное и осторожное поведение. Но все же проблема, похоже, не в этом, потому что можно выключить детектор – и лишить себя возможности узнать, через какую из прорезей проходит атом, – и на втором экране снова проявится картина интерференции. Атом остается частицей на всем протяжении своего пути только тогда, когда за ним наблюдают. Очевидно, главное тут – сам факт наблюдения.

Словно бы этого недостаточно, фокус становится еще необычнее. Даже если признать, что атомы – хитрые негодники, может оказаться, что они все же недостаточно хитры! Давайте позволим атомам проходить сквозь прорези – конечно же по одному за раз – и делать все необходимое, для того чтобы на втором экране проявилась картина интерференции. Но теперь мы точно поймаем их с поличным. В так называемых экспериментах «с отложенным выбором» можно установить детектор на место и включить его только после того, как атом пройдет сквозь прорези. Мы сможем удостовериться в этом, контролируя энергию выпускаемых атомов и таким образом понимая, сколько времени нужно любому из атомов, чтобы достичь первого экрана.

Такой эксперимент действительно проводился с фотонами, а не с атомами, но суть остается прежней. Современная высокоскоростная электроника позволяет расположить детектор достаточно близко к одной из прорезей, чтобы он сумел определить, прошел ли сквозь нее атом, но включаться этот детектор должен только тогда, когда атом, ведущий себя, как рассеянная волна, пройдет сквозь обе прорези, но еще не достигнет детектора. Конечно же, в этот момент атому будет уже слишком поздно вдруг решить вести себя, как локализованная частица, которая прошла только сквозь одну из прорезей. Но не тут-то было! В таких экспериментах картина интерференции все равно исчезает.

Что происходит? Все это напоминает магию, и я подозреваю, что вы мне не верите. Что ж, физики много лет пытались вывести логичное объяснение наблюдаемого. Здесь мне, пожалуй, стоит уточнить, что именно я подразумеваю под «логичным объяснением». Я использую этот термин в простом, обыденном смысле, имея в виду объяснение, которое полностью вписывается в рамки того, что мы считаем рациональным, разумным и осмысленным, и в то же время не вступает в противоречие или в открытый конфликт с поведением других явлений, которые мы можем наблюдать непосредственно.

На самом деле квантовая механика дает нам полностью логичное объяснение фокуса с двумя прорезями. Но это объяснение относится только к тому, что мы наблюдаем, но не к тому, что происходит, когда мы не смотрим. Однако, раз уж нам приходится отталкиваться от того, что мы можем увидеть и измерить, нам, вероятно, нет смысла просить большего. Как нам осознать истинность или допустимость явления, которое нам в принципе никогда не удастся проверить? Любая наша попытка меняет результат.

Может, я слишком много прошу от слова «логичный». В конце концов, в нашей жизни огромное количество моментов, когда мы можем назвать поведение чего-либо нелогичным или иррациональным. Все это означает, что такое поведение оказалось в некотором роде неожиданным. В целом мы должны иметь возможность анализировать поведение на основании причинно-следственных связей: что одно происходит в результате другого и так далее. Неважно, насколько сложна цепочка событий, приведших к определенному поведению, и неважно, что мы не можем полностью осознать каждый шаг. Важно то, что наблюдаемое каким-то образом может быть объяснено. Могут работать новые процессы, новые свойства или качества природы, которые еще не поняты или даже не открыты. Важно только то, что для объяснения происходящего мы можем применять логику, какой бы витиеватой она ни была.

Физикам пришлось признать, что в случае с фокусом с двумя прорезями рационального выхода не существует. Можно объяснить, что мы видим, но не почему. Какими бы странными вам ни казались предсказания квантовой механики, нужно подчеркнуть, что странная на самом деле не теория, разработанная человеком, а сама Природа, которая настаивает на столь странной реальности в микроскопическом масштабе.