Ну и…
Принцип соответствия. Я его уже спойлерил в прошлой главе, но почему бы не повторить, если принцип хорош? Этот принцип говорит, что квантовая механика не то что не противоречит прошлой физике, а вполне себе описывает обычную физику как некоторый частный случай. То есть, грубо говоря, когда мы можем пренебречь планковской постоянной, мы из уравнений квантовой физики просто собираем обычную привычную физику и радуемся жизни. В общем смысле принцип соответствия говорит о том, что новая физическая теория не может отменять уже существующую и проверенную, а может только дополнять ее.
Принципы закончились. Давайте теперь вспомним двухщелевой опыт. Сейчас просто коротко расскажу, что происходит.
Мы пускаем свет от одного источника через две щели. А после этих щелей ставим экран. Если бы свет был только частицами, мы бы увидели просто две светлые полосы на экране. Но в реальности на экране появляется большое количество светло-темных полос разной интенсивности. Это говорит о волновой природе света. Где-то волны друг друга усиливают, а где-то гасят.
Опыт проведен, переходим к вопросам. Их три.
Во-первых, как предсказать поведение конкретной частицы в этом эксперименте? Мы можем заранее предположить, куда скорее всего попадет много света, а куда – мало, но как предсказать положение отдельной конкретной частицы?
Тут копенгагенцы говорят, что в саму физику вшита вероятность, так что фиг знает. Угадайте. Если раньше случайность говорила о том, что мы просто чего-то не знаем, не измерили, не учли, а вообще-то в идеальном мире все можно посчитать, то в квантовом мире эта же случайность и есть сама физика. От нее не избавиться, так что можете только угадывать, куда попадет отдельный фотон.
Второй вопрос. Кажется, что частицы взаимодействуют с обеими щелями. Помните, суперпозиция, все дела? Как так? Это же частица, она не может в реальности быть в двух местах сразу. На экране же частица показывает себя именно точечно, а не в этих ваших суперпозициях. Что происходит между тем, как мы включили источник света и зарегистрировали результаты на экране?
Короткий ответ: отвалите!
Полный ответ. Физика рассматривает только результаты измерения. Что там было между, до и всякие может быть – это фигня бессмысленная. Отвалите.
Третий вопрос. И все же вернемся к суперпозиции. Какого черта на щелях частица ведет себя как будто в суперпозиции, а на экране никаких суперпозиций не наблюдается? Заметьте, вопрос уже не в том, что было между, а конкретно в моменте переключения частицы от статистического поведения к нестатистическому и обратно. Проще говоря, что заставляет частицу на щелях БЫТЬ в состоянии суперпозиции, а на экране – НЕ быть?
Ответ. Экран. Акт наблюдения схлопывает волновую функцию, помните? Вот и все. Как только частица сталкивается с измерительным инструментом – экраном (на щелях-то мы фотоны не наблюдаем), вся ее суперпозиция рушится к чертям.
Ладно, мы потихоньку подходим к завершению. Кстати, кто не в теме, что происходило дальше, – попробуйте угадать, к чему именно прицепился Эйнштейн, и представить себе его аргументы.
Для затравки скажу, что до сих пор спор не утихает, хотя уже никого из изначального состава в живых нет.
А еще копенгагенская интерпретация, кажется, до сих пор занимает первое место среди остальных интерпретаций квантовой механики. Нехило так Бор с Гейзенбергом развернулись с самого начала.
3.3. Как Эйнштейн неопределенность отменял?
Сразу скажу, что дядьки были очень умными, относились друг к другу по-дружески, и их дискуссия не была похожа на вот эти вот вечерние шоу нашего времени на федеральных каналах. Все было корректно и без переходов на личности и их родителей.
Коротко напомню, что копенгагенцы – это в основном Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, которые создали первую интерпретацию квантовой механики со своими взглядами и идеями. Один из ключевых вопросов квантовой физики – вопрос наблюдения и измерения. Что и кто может быть наблюдателем, как проводится измерение, какие измерения могут влиять на результат процесса, а какие – нет. В общем, вопросов уйма на самом деле. И вот Бор и Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене в 1927 году разрабатывают конкретный взгляд на эти вопросы. Появляется копенгагенская интерпретация.
Давайте отмотаем время немного назад. Еще в 1925 году Гейзенберг догрызает матричное исчисление в своей работе, переосмысливает ньютоновскую физику и получает первые в мире основы квантовой механики. В то время квантовая физика оказалась в тупике именно из-за математики. Физики стали грызть матричное исчисление и математический анализ.
Среди матричников – Гейзенберг, который своими выкладками в очередной раз реанимирует всю эту историю. Появилась первая квантовая механика. Матричная.
И через год Эрвин Шрёдингер выкатывает свое знаменитое уравнение Шрёдингера, в котором описывает волновую квантовую механику. Впоследствии он же показывает, что оба подхода равнозначны.
Здесь в игру вступает Макс Борн. Если Шрёдингер рассматривал электрон в атоме как волновой пакет, то есть просто набор волн, то Борн переосмыслил уравнение Шрёдингера так, чтобы электрон оставался частицей. Правда, в таком случае ему пришлось считать нахождение этой частицы через вероятности, описываемые волновой функцией. Пришлось ввести элемент неопределенности.
Если говорить просто, коротко и грубо, то есть как обычно, Борн стал первым человеком, кто собрал формулу квантовой физики на основе вероятностей. То есть не точные данные, а вероятности.
Вот тут-то у Эйнштейна и припекло.
«Я, во всяком случае, убежден, что он не играет в кости». Речь, естественно, о Боге. Эйнштейн не мог смириться с тем, что в природе что-то не определено. Если говорить страшными словами – он был противником квантового индетерменизма.
Гейзенберг, в отличие от Эйнштейна, поддержал Борна, посчитал эти вероятности, сложил, умножил, поделил и получил свой знаменитый принцип неопределенности – один из фундаментальных принципов квантовой механики в целом. Помните? Нельзя одновременно знать импульс частицы и ее координаты. Принцип неопределенности становится чуть ли не основной идеей копенгагенской интерпретации. Копенгагенцы говорят, что вероятность вморожена в квантовую физику.
В 1927 году на пятом Сольвеевском конгрессе[22] официально начинается дискуссия Эйнштейна и копенгагенцев.
Эйнштейн предлагает такую историю. Мы проводим практически тот же двухщелевой опыт, только хитро.
В общем, мы ставим три экрана. В первом прорезаем одну щель.
Во втором – две горизонтальные щели. Одну сверху и одну снизу. В третьем ничего не прорезаем.
Светим в первый экран в самую щель. Вы видели, как свет проходит сквозь щель? Он совсем не как лазерный луч летит, а таким конусом, как от фонаря. Или как вода из пульверизатора распыляется. Он же волна все-таки в каком-то смысле, помните? Так этот свет попадает на второй экран с двумя щелями, проникает в обе щели, после чего летит на третий экран, который целый. На нем мы видим, как волны гасят и усиливают друг друга, – интерференционную картинку. Этот эксперимент показывает волновую природу света. Если говорить очень грубо, то на втором экране каждая частица проходит одновременно через обе щели. Это суперпозиция. Если бы такого не было, мы бы видели ровно две полоски на третьем экране – по количеству щелей.
Пока все в порядке, никаких противоречий нет. А теперь слушайте, что придумал Эйнштейн.
Он сказал, что мы можем поставить первый экран на очень точные весы. Каждая частица, которая проходит через щель, будет давать какую-то отдачу. Частицы, которые полетели вниз, будут отталкивать экран наверх, а те, которые полетели наверх, придавят экран вниз.
И ровно в тот момент, когда мы понимаем, что частица полетела вверх или вниз, она теряет свою суперпозицию. Волновая функция схлопывается, и на третьем экране мы должны увидеть просто две светлые полоски, как будто свет – это просто частицы, без волновой составляющей. А теперь вот вам парадокс. Мы знаем координату частицы (верхняя полоска или нижняя) и ее импульс – мы же весами измерили отдачу на первом экране, помните? Отсюда довольно легко можно посчитать импульс.
Получается, что Эйнштейн тремя экранами, лезвием и фонариком поломал всю копенгагенскую интерпретацию и принцип неопределенности?
Не совсем. Вернее, совсем нет. Бор нашел ответ.
Эйнштейну нужен был экран на каких-то весах, так? Весы – это подвижная система. Экран двигается вверх-вниз. Так мы и считаем отдачу, помните? Тогда получается, что к нему тоже можно применить принцип неопределенности. Если мы в момент прохождения светом первой щели будем точно знать координаты этого экрана и, соответственно, щели, то скорость у нас будет неопределенная. А значит, мы не сможем точно посчитать отдачу от проходящей частицы. Непонятно, какая скорость была у самого экрана и какая скорость прибавилась от отдачи.
А если мы будем знать точно скорость этого экрана, то фиг пойми, как считать отдачу, потому что положение экрана становится неопределенным. И теперь мы не можем понять, стал экран выше, или он уже был выше, или где он вообще, этот экран?
В общем, Бор затащил измерительные приборы в квантовый мир и опроверг аргумент Эйнштейна. При этом Бор же считал, что это важная проблема, и полагал, что нужно найти такие измерительные приборы, которые будут подчиняться только классической физике, не влезая в квантовый мир и не подчиняясь его законам.
В 1930 году на следующем Сольвеевском конгрессе Эйнштейн принес еще один мысленный эксперимент.
Берем ящик, заполняем его электромагнитным излучением. Не спрашивайте как. Эйнштейн уже не ответит, а я тоже кверху лапками в шоке пребываю. В общем, у нас есть ящик с излучением. В ящике есть затвор с таймером. Мы можем открыть затвор на любое время, которое хотим. А теперь подвешиваем ящик на очень точные весы. Помните, у нас после прошлого конгресса оставались? Сейчас экран с щелью снимем с них, и нормально.