Но можно ли это воздействие сделать не таким большим, чтобы оно меняло состояние электрона не так сильно? Самое малое воздействие, которое мы можем осуществить, это посмотреть. Однако мы уже знаем, что посмотреть значит не просто воспринять входящий сигнал. Предварительно на электрон нужно направить фотон, чтобы он отразился от электрона (или, как говорят физики, – рассеялся). Единственное, что тут можно уменьшить, – энергия фотона. Если энергия фотона будет меньше, то, может, и состояние электрона будет меняться не так сильно? В принципе, да. Но тут мы сталкиваемся с другим ограничением. Чем меньше энергия фотона, тем больше его длина волны и тем меньше будет точность измерения положения электрона. А поскольку мы хотим узнать, через какую из щелей он пролетел, то мы можем использовать для наблюдения только такие фотоны, длина волны которых меньше расстояния между щелями. Иначе погрешность будет больше, чем это расстояние и смысла в таком измерении не будет.
Эксперименты подтверждают наши рассуждения: пока мы облучаем электроны фотонами больших длин волн и малых энергий (которые не дают нам никакой определенности в вопросе, через какую из щелей прошел электрон), интерференционная картина сохраняется. Но при увеличении энергии фотонов и уменьшении их длины волны стройная интерференционная картина постепенно размывается. И чем точнее мы определяем, через какую из щелей пролетел электрон, тем более размытой становится интерференционная картина. Так что обхитрить природу и ее фундаментальный принцип неопределенности и тут не получается.
А что, если мы вообще никак не будем воздействовать на частицы, не станем их освещать, а заставим их самих «светиться»? Ведь чтобы что-то увидеть, можно использовать излучение самого предмета. С электронами такой эксперимент провести очень проблематично, а вот заставить «светиться» большие молекулы относительно просто. Такой эксперимент в 2004 году провела группа ученых под руководством австрийского физика Антона Цайлингера. Для исследования были выбраны молекулы фуллерена. Дело в том, что это довольно большие молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. А значит, такие молекулы можно нагреть специальным лазерным лучом и заставить испускать тепловое излучение[71]. По этому излучению при помощи температурных датчиков можно попытаться определить, через какую из щелей пролетела каждая молекула. Но и тут эффект наблюдателя проявился во всей полноте. Условно «холодные» молекулы, которые не излучали и их невозможно было четко локализовать, при прохождении через две щели, как им и положено, формировали интерференционную картину. Но стоило их только немного нагреть, чтобы они начали излучать, как интерференционная картина начинала размываться. Конечно, этот переход происходил не резко, а постепенно. Когда энергия излученных фотонов была еще не очень велика, а их длина волны достаточно большой, полосы на экране еще можно было разглядеть. Но по мере нагревания молекул полосы размывались все сильнее и сильнее. Так что к моменту, когда стало возможно по излучению молекул точно определить, через какую из щелей они прошли, интерференционная картина полностью исчезла.
Заметьте, для этого совершенно не потребовалось ставить датчики за каждой из щелей и дополнительно воздействовать на молекулы, а излучение каждой отдельно взятой молекулы можно было даже не детектировать. Просто самого факта того, что в принципе возможно определить, через какую из щелей прошла молекула, достаточно для изменения поведения частиц. Так что присутствие наблюдателя (как субъекта, который принимает сигналы от частиц) и тем более наличие у него сознания не является необходимым для того, чтобы молекулы вели себя как частицы.
Часть 5Теория относительности
Об этом не все знают, но теорий относительности две штуки: специальная теория относительности (СТО), созданная Эйнштейном в 1905 году, и общая теория относительности (ОТО), которую Эйнштейн опубликовал еще через 10 лет напряженной и кропотливой работы, в 1915‐м. Обе они имеют парадоксальные с бытовой точки зрения следствия, и поэтому не только простым обывателям, но даже ученым начала ХХ века было трудно принять новую парадигму. А некоторые и до сих пор пытаются опровергнуть Эйнштейна, стараясь найти противоречия в его теории. Однако вся последующая история развития физики показала, что предсказания теории относительности подтверждаются с высокой степенью точности, на ее принципах работают миллионы приборов (некоторыми из которых мы пользуемся практически ежедневно[72]), а сама теория относительности легла в основу современных представлений об устройстве и эволюции всей Вселенной.
Вопрос 42. Зачем нужно было придумывать теорию относительности?
В главе «Что такое относительность?» (стр. 32) мы уже познакомились с понятием относительности с точки зрения классической механики. В частности, обсудили правило сложения скоростей, следующее из преобразований Галилея. Однако в электродинамике это правило перестает работать. Независимо от того, бежите ли вы навстречу лучу света, или убегаете от него, или просто стоите на месте, в любом случае вы сближаетесь с одной и той же скоростью – со скоростью света. С одной стороны, это теоретическое следствие из уравнений Максвелла для электромагнитных полей, с другой стороны, это экспериментальный факт, подтвержденный с большой точностью. Впервые такой эксперимент провели в 1887 году два американских физика, Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) и Эдвард Уильямс Морли (1838–1923) в Кливленде, штат Огайо, США. После этого подобные измерения многократно повторялись, и каждый раз физики фиксировали постоянство скорости света.
Выходит, что либо классическая механика неполна и нужно что-то в ней менять (чтобы получить новые формулы перехода из одной системы отсчета в другую и новое правило сложения скоростей), либо неверна классическая электродинамика и нужно отказаться от уравнений Максвелла. Либо нужно придумать какую-то новую теорию, способную «помирить» эти два раздела физики.
Эйнштейн пошел по третьему пути и создал специальную теорию относительности. В ее основу он положил всего два простых постулата:
1) Уже знакомый нам принцип относительности Галилея из классической механики[73]: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета[74]. Только теперь под законами природы понимались не только законы механики, но и все законы природы, в том числе законы электродинамики.
2) К первому принципу Эйнштейн добавил еще один постулат: скорость света должна быть всегда одной и той же во всех инерциальных системах отсчета. То есть Эйнштейн не стал объяснять, почему свет ведет себя таким странным образом, а просто постулировал такое его поведение. Он просто сказал: природа так устроена, что свет всегда распространяется с одной и той же скоростью.
И это, казалось бы, небольшое добавление к классическому принципу относительности Галилея всего одного постулата про скорость света привело к коренному пересмотру всех наших представлений о пространстве и времени, поскольку теперь не только скорость всех остальных физических объектов, но и скорость течения времени также становится относительной. Давайте разберемся, как же это проявляется.
Рассмотрим уже ставший классическим мысленный эксперимент с вагоном поезда. Представим, что внутри вагона, ровно посередине, стоит человек с фонарем. Назовем его «Первый». А другой наш ассистент, назовем его «Второй», стоит на платформе и наблюдает за движением поезда. Вагон с Первым проезжает мимо Второго, и в момент, когда они поравняются друг с другом, Первый зажигает свой фонарь.
Какую картину увидит Первый? Поскольку он стоит ровно посередине вагона, то свет фонаря достигает передней и задней дверей вагона одновременно, потому что свету и вперед, и назад нужно пройти одинаковое расстояние, равное половине длины вагона, а скорость распространения света по всем направлениям одинаковая.
Однако Второй будет наблюдать совсем иную картину. Поскольку для него вагон движется, то пока свет будет лететь до передней двери, она немного уедет вперед. Следовательно, свету нужно будет пролететь расстояние чуть большее, чем половина длины вагона. А вот задняя дверь, наоборот, переместится навстречу лучу света, так что свету нужно будет преодолеть уже чуть меньшее расстояние, чем половина вагона. А поскольку скорость света по всем направлениям одинаковая, то с точки зрения Второго свет достигнет задней двери быстрее, чем передней.
Так кто из них на самом деле прав? Эти два события – «свет достигает передней двери» и «свет достигает задней двери» – происходят одновременно или не одновременно? Оказывается, что все зависит от того, из какой системы отсчета за ними наблюдать. То есть мы не можем говорить, что два каких-то события происходят в один и тот же момент времени или следуют одно за другим без указания системы отсчета, из которой мы за этими событиями наблюдаем. Время оказывается относительной величиной. Точно так же мы не можем говорить о том, какая у тела скорость, без указания системы отсчета, в которой мы ее измеряем (ведь скорость – это тоже относительная величина[75]).
Вопрос 43. Что такое релятивистские эффекты и что означает формула Эйнштейна E = mc2?
То, что время теперь является относительной величиной, абсолютно не укладывается в наши обыденные представления о том, что такое время и как оно течет. Но это та цена, которую мы вынуждены платить за введение в теорию постулата о постоянстве скорости света. Более того, новая теория открыла дверь в совершенно новую физику и показала существование огромного числа феноменов, доселе неизвестных ученым. И относительность одновременности – это далеко не единственное следствие теории относительности, противоречащее нашему здравому смыслу. Существует еще целый ряд совершенно фантастических релятивистских эффектов (от слова relativity – относительность), с которыми мы не сталкиваемся в своей повседневной жизни и поэтому они нам кажутся чем-то парадоксальным или даже абсурдным. Тем не менее все они подтверждены большим количеством очень точных научных экспериментов. Так что придется все-таки признать, что природа устроена несколько сложнее, чем нам это представляется на основе нашего (признаемся честно, весьма ограниченного) жизненного опыта.