ое неожиданным образом изрядно напоминало проповедь Афанасьевского символа веры». В самом деле, подобно многим странным эффектам в квантовой механике, Святая Троица – Отец, Сын и Дух Святой, воплощенные одновременно в едином существе, – тоже на первый взгляд невозможна. Сходство, однако, на этом заканчивается.
Здравый смысл говорит нам, что свет не может быть волной и частицей в одно и то же время. Однако, несмотря на суждения здравого смысла и на то, нравится нам это или нет, эксперименты утверждают, что дело обстоит именно так. В отличие от символа веры, созданного в V веке, этот факт не является ни вопросом семантики, ни вопросом выбора, ни даже вопросом веры. Нам нет нужды еженедельно декламировать квантово-механические символы веры, чтобы сделать их менее гротескными или более правдоподобными.
Об «интерпретациях квантовой механики» говорят не без серьезной причины. Дело в том, что «классическая» картина реальности, а именно картина мира, описываемая ньютоновскими законами классического движения и знакомая нам по опыту в человеческих масштабах, не способна отразить полную картину происходящего вокруг. Поверхностный мир наших восприятий скрывает ключевые аспекты процессов, лежащих в основе наблюдаемых нами явлений. Так и Платоновы философы не могли открыть биологические процессы, управляющие людьми, наблюдая только тени людей на стене. Никакой уровень анализа, скорее всего, не позволил бы им полностью разобраться в реальности, порождающей эти темные фигуры.
Квантовый мир бросает вызов нашим представлениям о разумном – или даже возможном. Это означает, что на малых пространственных масштабах и на коротких отрезках времени простое классическое поведение макроскопических объектов, к примеру бейсбольных мячей, летящих от подающего игрока к принимающему, попросту не работает. Вместо этого на малых масштабах объекты демонстрируют множество разных вариантов классического, а также запрещенного классической теорией поведения – в одно и то же время.
Квантовая механика, как и почти вся физика со времен Платона, началась с размышлений ученых о свете. Поэтому вполне уместно начать разговор о квантовом безумии тоже со света; в данном случае уместно вернуться к важному эксперименту, о котором первым сообщил один из самых разносторонних британских профессоров, Томас Юнг, около 1800 г., – к знаменитому «эксперименту с двумя щелями».
Юнг жил в эпоху, которую нам сегодня трудно даже представить; в то время талантливый и трудолюбивый человек мог совершить прорывные открытия во множестве различных областей науки. Но Юнг был не просто талантливым и трудолюбивым человеком. Он был настоящим вундеркиндом, который научился читать в два года, а к тринадцати успел прочесть все основные греческие и латинские эпические поэмы, построить микроскоп и телескоп и заняться сразу четырьмя иностранными языками. Позже, получив медицинское образование и став врачом, Юнг первым, в 1806 г., предложил современную концепцию энергии, сегодня пронизывающую все без исключения области научных исследований. Одно это обеспечило бы ему место в истории, но в свободное время он, помимо этого, одним из первых занялся расшифровкой иероглифов Розеттского камня. Он разрабатывал физику упругих материалов, ту самую, где мы сегодня пользуемся модулем Юнга, и участвовал в первых попытках прояснить физиологию цветного зрения. А его смелая демонстрация волновой природы света (которая стала возражением против почти общепринятого мнения Исаака Ньютона о том, что свет состоит из частиц) оказалась настолько убедительной, что легла в основание последующего открытия Максвеллом электромагнитных волн.
Эксперимент Юнга очень прост. Вернемся в пещеру Платона и рассмотрим экран, помещенный перед задней стеной пещеры. Проделаем в этом экране две щели, как показано на рисунке (вид сверху).
Если световые лучи состоят из частиц, то те из них, что проходят сквозь щели, образуют на стене две яркие линии ровно позади щелей.
Однако было хорошо известно, что волны, в отличие от частиц, отклоняются возле препятствий и узких щелей и должны дать на стене совершенно иную картину. Если волны наталкиваются на барьер и если обе щели в нем узкие, то от каждой щели распространяются кольцевые волны, а затем волны от двух щелей «интерферируют» друг с другом, в некоторых местах складываясь и, соответственно, усиливаясь, а в других – гася друг друга и, соответственно, ослабляясь. В результате на задней стене возникает рисунок из ярко освещенных и темных областей, как показано на рисунке.
Использовав именно такой аппарат с узкими щелями, Юнг увидел на стене картину интерференции, характерную для волн, и таким образом наглядно продемонстрировал волновую природу света. Это событие, имевшее место в 1804 г., стало важной вехой в истории физики.
Можно проделать тот же эксперимент, что и Юнг, но не со светом, а с элементарными частицами, к примеру с электронами. Если направить пучок электронов на фосфоресцентный экран (скажем, экран старого электроннолучевого телевизора), мы увидим яркую точку в том месте, где пучок электронов попадает на экран. Теперь давайте поставим перед экраном две щели, как делал Юнг в эксперименте со светом, и направим на экран широкий пучок электронов.
Основываясь на тех же рассуждениях, которые я приводил для света, можно было бы ожидать появления двух ярких линий за каждой из щелей, через которые электроны проходят к экрану. Однако как вы, вероятно, уже догадались, на самом деле получится нечто иное, по крайней мере если щели достаточно узки и близки друг к другу. Вы увидите интерференционную картину, аналогичную тем, что наблюдал Юнг для световых волн. Получается, что электроны, представляющие собой частицы, в данном случае ведут себя в точности как световые волны. В квантовой механике частицы обладают волновыми свойствами.
Тот факт, что электронные «волны», исходящие из одной щели, могут интерферировать с электронными «волнами», исходящими из другой, конечно, является неожиданным и странным, но гораздо более странно то, что происходит, если мы посылаем электроны к экрану по одному. Даже в этом случае на экране возникает такая же интерференционная картина. Каким-то непонятным образом каждый электрон интерферирует сам с собой. Электроны определенно не похожи на бильярдные шары.
Интерпретировать это можно следующим образом. Вероятность попадания электрона в каждую точку экрана можно определить, если считать каждый электрон летящим не по одной-единственной траектории, а по множеству различных траекторий одновременно, причем некоторые из этих траекторий проходят через одну щель, а некоторые – через другую. Затем те, что проходят через первую щель, интерферируют с теми, что проходят через вторую, – и формируют наблюдаемую на экране интерференционную картину.
Проще говоря, нельзя утверждать, что электрон проходит либо через одну, либо через другую щель, как бильярдный шар. Получается, что электрон проходит не через одну из щелей, а через обе щели одновременно.
Вздор, скажете вы и предложите вариант эксперимента, при помощи которого можно было бы это доказать. Установим регистраторы электронов возле каждой из щелей: они должны щелкать, когда через соответствующую щель пролетит электрон.
И действительно, когда электроны по одному летят к экрану, каждый раз срабатывает лишь одно устройство. Так что каждый электрон, судя по всему, все же проходит только через одну щель, а не через обе одновременно.
Однако если вы теперь посмотрите на рисунок, образованный электронами на экране позади щелей, то окажется, что он изменился и теперь вместо первоначальной интерференционной картины там наблюдается то, что мы ожидали увидеть с самого начала: яркая область за каждой из двух щелей, как если бы экран обстреливали не волнами, а миллиардами шариков или пуль.
Иными словами, пытаясь проверить нашу классическую интуицию, мы изменили поведение электронов. Или, как чаще говорят в квантовой механике, измерение состояния системы может изменить ее поведение.
Один из многих невозможных на первый взгляд аспектов квантовой механики заключается в том, что не существует такого эксперимента, который позволяет продемонстрировать, что в отсутствие измерений электроны ведут себя добропорядочным, классическим образом.
Странная волноподобная природа объектов, таких как электроны, которые вместе с тем могут рассматриваться и как частицы, математически выражается приписыванием каждому электрону так называемой волновой функции, которая описывает вероятность нахождения этого электрона в любой заданной точке. Если волновая функция принимает ненулевые значения во множестве различных точек, то это означает, что положение электрона не может быть определено заранее, до точного измерения его местонахождения. Иначе говоря, есть ненулевая вероятность, что электрон вовсе не находится в некоторой конкретной точке пространства до того, как он обнаружен там измерением.
Можно подумать, что все здесь сводится к простой проблеме отсутствия у нас доступа к информации о местоположении частицы до тех пор, пока мы не проведем измерение. Однако эксперимент Юнга с двойной щелью, проведенный над электронами, ясно показывает, что в действительности дело обстоит совершенно не так. Любая «здравая» классическая картина того, что происходит в промежутке между измерениями, расходится с имеющимися данными.
Странное поведение электронов было не первым свидетельством того, что микроскопический мир невозможно понять при помощи интуитивной классической логики. И вновь, в продолжение идущей со времен Платона традиции революционных перемен в наших представлениях о природе, открытие квантовой механики началось с рассмотрения света.
Вспомним, что, выполняя эксперимент Юнга со световыми лучами и двумя щелями в Платоновой пещере, мы получаем на стене обнаруженную Юнгом интерференционную картину, наглядно демонстрирующую, что свет на самом деле волна. Пока все в порядке. Однако, если источник света достаточно слаб, а мы пытаемся определить, через какую из двух щелей проходит свет, происходит нечто странное. Мы видим, что световой луч проходит либо через одну щель, либо через другую, но не через обе сразу. И, как в случае с электронами, картина на стене меняется и будет выглядеть так, как выглядела бы, если бы свет представлял собой не волну, а поток частиц.