Так что даже в классической физике идея влияния на расстоянии, таком как сила тяготения и относительность времени, получили признание.
Что такое волна?
Прежде чем я перейду к сложным и зачастую непостижимым сторонам квантовой теории, попробуем познакомиться с несколькими более важными понятиями из классической физики. Что такое волна? Волна – неподвижное или движущееся возмущение в воздухе (например, звуковая волна), воде или пространстве. Свет – тоже волновое явление, то есть электромагнитная волна с магнитным и электрическим компонентом. То, что справедливо для света, а именно – что он обладает и корпускулярной, и волновой природой, – также относится на субатомном уровне и к материи (см. рис. на с. 261).
Далее в этой главе я подробнее расскажу о том, что, согласно законам квантовой физики, мы не в состоянии определить точную локацию квантовой частицы; мы можем установить только ее вероятное местоположение. Формула, выражающая эту вероятность, называется волновой функцией частицы.
Определение поля
Что такое поле? Это сложное понятие: хотя поле не поддается восприятию, оно создает визуальный эффект. Наглядный пример – магнитное поле: оно обладает способностью проникать сквозь пространство и заполнять его и может незримо оказывать влияние на расстоянии на такие металлические предметы, как компас. Электромагнитное поле – это физическое поле, созданное электрически заряженными предметами.
Материя как сложное поле стоячих волн
Платина под максимальным увеличением – в 700 000 раз (фото Университета штата Пенсильвания). Белые точки – отдельные атомы. На атомном уровне материя ведет себя как поле со стоячими волнами [2]
Полю не требуется среды, чтобы оказывать воздействие на расстоянии; оно занимает вакуум пустого пространства. Само поле – одна из форм пространства [3]. В классической физике (локальная причинность) поле указывает на когерентность в системе, обеспечивает связность или равномерную целостность всех частей или составляющих этой системы. Если что-то происходит в одной части поля, то же самое автоматически происходит и в системе в целом. Возмущение в поле всегда перемещается с максимальной скоростью, – скоростью света. Гравитационное поле можно считать нематериальной и незримой сферой, способной оказывать мгновенное влияние на наш зримый физический мир.
Электромагнитные поля
Электромагнитное поле – физическое явление, вызывающее движение только заряженных частиц. Электромагнитное поле имеет неопределенную протяженность в пространстве и объясняет электромагнитное взаимодействие. Это одна из четырех фундаментальных сил природы. Электромагнитные поля – неотъемлемая составляющая организации всех материальных систем, от атомов до галактик. Будучи также базисом для работы нашего сердца, мозга и тела, они составляют ядро всего электрического оснащения, на которое опирается современное общество. Вся информация, которую мы получаем ежедневно, зашифрована в волнах или волновых функциях электромагнитного поля. Она зашифрована в этих волнах в виде различий частоты или длины волны. Электромагнитное поле обладает почти бесконечными возможностями для хранения информации в виде частот или фазовых скоростей, не вызывающих никакого возмущения или интерференции. Представьте себе всю массу информации, которая поступает к нам по оптоволоконной кабельной сети, какие в настоящее время есть почти в каждом доме, а также информацию, которой обмениваются континенты посредством кабелей, проложенных по океанскому дну. Или вообразите глобальный охват интернета с более чем миллиардом веб-сайтов или информацию, доступную во всем мире благодаря спутникам GPS для таких разнообразных видов использования, как автомобильные навигационные системы и сотовые телефоны.
Поля, частоты и информация
Длина волны обратно пропорциональна частоте. Герц (Гц) – единица частоты, 1 Гц равен одному циклу в секунду. Спектр электромагнитного излучения очень широк: ультрафиолет солярия или рентгена имеет длину волны менее 100 нанометров при частоте более 3 × 1015 Гц. У видимого света длина волны колеблется в пределах от 300 до 800 нанометров, радар или спутниковое телевидение используют длину волны от 1 мм до 3 см, микроволновка – длину волны около 10 см, мобильник – длину волны 30 см (при частоте 1 ГГц), телевидение – длину волны 1 м (300 МГц), средние радиоволны – 300 м (1 МГц), подводные лодки поддерживают связь на волнах длиной более 3000 км (менее 100 Гц). Чем больше длина волны, тем ниже частота и тем лучше досягаемость или прием. Переменный ток в нашем доме имеет частоту 50 Гц. Звуковые волны, которые мы в состоянии услышать (в молодом возрасте), имеют частоту в пределах от 20 до 24000 Гц. Все сенсорное восприятие опирается на информацию, полученную от этих волн: мы видим цвета благодаря информации от световых волн, мы слышим разные звуки и тона благодаря звуковым волнам с разными частотами. Мы ощущаем кожей тепло благодаря тепловым волнам – инфракрасному световому излучению солнца, имеющего частоту примерно 1013 Гц.
Информация, к которой обращаются астрономы, выдвигая теории о происхождении Вселенной, в основном опирается на изображения, полученные с космического телескопа «Хаббл». С помощью этого телескопа астрономы получили изображения галактик, находящихся на расстоянии 5 миллиардов световых лет, видели взрывы звезд на расстоянии 42 миллионов световых лет. Поскольку информация об этих чрезвычайно отдаленных событиях сохранена в световых волнах, теперь у нас есть их предельно четкие изображения. Информация, зашифрованная в световых волнах, сохраняется без изменений в течение как минимум 5 миллиардов световых лет. Возможности хранения информации в виде волновых функций выглядят потенциально бесконечными и вечными.
В основе нашей системы глобальной связи лежит зашифровка и расшифровка информации, сохраненной в виде конкретных частот (длин волн) электромагнитного поля, которое не обязательно становится видимым для наших органов чувств. Для того чтобы получать и передавать такую информацию, мы пользуемся радио, телевидением, мобильными телефонами и беспроводными интернет-технологиями. Все наше мировоззрение строится на основе информации, которую мы принимаем в сознание посредством органов чувств. Наше сознание пользуется этой информацией, чтобы формировать наши представления о мире и о себе. Для того чтобы принимать все это огромное количество информации сознанием, нам необходим какой-нибудь приемник, способный улавливать или расшифровывать фактические данные, зашифрованные в волнах: мобильный телефон, радио, телевизор и беспроводной компьютер.
Квантовая теория и корпускулярно-волновая дополнительность
Как уже было сказано, квантовая физика возникла в начале ХХ века потому, что некоторые природные явления нельзя было объяснить с помощью классической физики. Ученые уже некоторое время знали, что при нагревании металла фактическое увеличение интенсивности света, особенно в ультрафиолетовом спектре, не соответствует предсказанному увеличению. В 1900 году физик Макс Планк, нобелевский лауреат, предложил математическое описание дискретного взаимодействия между светом и материей, которое назвал квантами. Эта дискретность напоминает мячик, который скачет вниз по лестнице и на краткое время задерживается на каждой ступеньке, но не может быть наблюдаемым между двумя ступеньками. Такая дискретность была названа квантовым скачком. Несколько лет спустя Альберт Эйнштейн разработал гипотезу, согласно которой свет также двигается частицами (квантами света), и в 1905 году дал этой частице энергии название «фотон». В 1926 году эксперименты подтвердили его фотонную гипотезу.
На протяжении столетий свойства света представляли собой одну из величайших проблем в физике. По мнению нидерландского математика, астронома и физика XVII века Христиана Гюйгенса, свет ведет себя как волна, в то время как Ньютон верил, что свет состоит из частиц. В известном двухщелевом эксперименте, впервые проведенном в 1801 году английским физиком и врачом Томасом Юнгом, свет проходил либо через две узких щели, либо, после того как одну из щелей закрывали, через одну узкую щель. Когда свет проходит через обе щели, он ведет себя как волна с интерференцией, создающей темные и светлые полосы (см. рис.). Интерференция – это явление, которое мы видим, когда бросаем два камушка в пруд и круги от них пересекаются. Рисунок интерференции создает волны большего размера и вместе с тем сглаживает другие; эти волны – эквивалент светлых и черных полос в двухщелевом эксперименте. Когда Юнг в 1802 году опубликовал результаты двухщелевого эксперимента и пришел к заключению, что свет ведет себя как волна, его сообщение встретили пренебрежительно и враждебно, так как его результаты противоречили ньютоновской корпускулярной теории света. Критики утверждали, что публикация Юнга
не содержит ничего заслуживающего названия эксперимента или открытия и… лишена достоинств… Мы хотели бы высказаться против новшеств, которые не оказывают иного влияния, кроме как препятствуют процессу науки и воскрешают все те плоды воображения, которые… Ньютон обратил в бегство из ее храма [4].
Двухщелевой эксперимент с интерференцией, образующей светлые и темные полосы
Однако ситуация оказалась еще более сложной. Если через обе щели проходит очень слабый свет так, что за один момент времени через щели проходит только один фотон, может оказаться, что свет также ведет себя как частица; в этом случае свет будет распределяться равномерно по всей плоскости проекции (фотографической пластинке), а рисунок интерференции из светлых и темных полос исчезнет. Однако это происходит лишь когда ученые хотят узнать точное положение фотона и отметить, через какую из щелей проходит этот фотон. Только в том случае, если прибор, расположенный перед щелями или за ними, определяет, где именно проходит фотон, если проходит вообще, мы знаем точный путь фотона и выясняем, действительно ли свет продолжает вести себя как частица. То же самое относится к измерениям, проводящимся за щелями, в том случае, если измерительный прибор включат именно тогда, когда фотон уже прошел сквозь щель, но еще не успел достичь фотопластинки. Ввиду измерений фотон продолжает вести себя как частица. Если во время эксперимента мы не проводим никаких измерений, свет продолжает вести себя как волна.