Чудеса обычных вещей

Человеческий глаз не может разглядеть отдельные фотоны, так что их попадание на второй экран останется незамеченным. Однако это препятствие можно преодолеть, расположив на поверхности экрана множество чувствительных детекторов, способных регистрировать отдельные частицы света. Представим их как крошечные ведерки, которые ловят фотоны так же, как обыкновенные ведра собирают дождевые капли. Если фотонные ведерки подсоединить к компьютеру, то все, что в них поймалось, появится на экране, став таким образом видимым для человека.

Что же мы ожидали бы увидеть, доведись нам создать такую высокотехнологичную версию эксперимента Юнга? Ну, мы ведь знаем, что вся суть интерференции в том, что она берет две волны и смешивает их, заставляя «интерферировать» между собой. В случае с экспериментом Юнга два набора волн, подобно наборам концентрических кругов, появляются из двух прорезей в непрозрачном экране. Однако если фотоны появляются перед экраном по одному, с большими временными интервалами, то резонно предположить, что в единицу времени сквозь экран будет проходить только один фотон — он выскочит по ту сторону экрана либо из одной прорези, либо из другой. У такого одинокого фотона не будет пары, с которой он мог бы смешаться. Интерференция невозможна. Если такой эксперимент будет продолжаться довольно долго и через прорези пройдет весьма много фотонов, которые усеют второй экран, то рисунок на экране компьютера будет совсем прост: две параллельные яркие линии — отображение двух прорезей.

Однако в реальности происходит совсем не это.

Поначалу экран компьютера вроде как показывает, что фотоны дождем обрушиваются на весь второй экран, словно ими наобум палят из какого-нибудь пулемета. Однако по мере хода эксперимента образуется нечто поразительное. Медленно, но верно начинает вырисовываться некий узор — словно Лоуренс Аравийский появляется из песчаной бури: этот узор состоит из фотонов, перехваченных крошечными световыми ведерками (напомним: по одному в каждую единицу времени). И это не просто какой-то там узор. Это узор из перемежающихся темных и светлых полос — точь-в-точь та самая интерференционная картина, которую Юнг увидел в 1801 году. Но как такое возможно? Интерференция образуется при смешивании волн из двух источников. Здесь же свет настолько слабый, что легко доказать: он состоит именно из частиц — в конце концов, световые детекторы отщелкивают их по штуке в единицу времени, — и ни один фотон не имеет пары, с которой он мог бы смешаться.

Добро пожаловать в сумасшедший, потусторонний мир квантов! Когда мы видели, что поведение фотонов не имеет абсолютно никаких причин, это было лишь началом безумия.

Судя по всему, фотоны, даже тогда, когда их очень мало и они явно представляют собой частицы, каким-то образом «осведомлены» о своей волновой природе. В конце концов они попадают на втором экране ровно в те места, где волны, которые выбегали бы из прорезей, усиливали бы друг друга, и усердно избегают тех мест, где волны гасились бы. Такое впечатление, будто с каждым фотоном ассоциирована некая волна, которая каким-то образом указывает ему, куда именно ему нужно прилететь, чтобы занять место на экране.

Примерно такую картину — правильно это или нет — держат в уме большинство физиков. Существует некая волна, ассоциируемая с фотоном. Она сообщает ему, куда двигаться и что делать. Но вот какая причуда. Это не реальная физическая волна, которую можно увидеть или потрогать, как волну на воде. Вместо реальности перед нами — нечто абстрактное, чисто математического свойства. В своем воображении физики рисуют картину, как эта волна, часто именуемая «волновой функцией», простирается в пространстве. Если волна большая, если у нее высокие максимумы, там велика вероятность (больше шансов) обнаружить фотоны, а в тех «местах», где волна маленькая, довольно плоская, там вероятность обнаружить фотон весьма мала. Можно сказать несколько точнее: шансы на обнаружение частицы (вероятность ее нахождения) в некоем месте пространства определяются квадратом высоты квантовой волны в этом месте. Квантовые волны могут смешиваться и интерферироваться, и, когда это происходит, возникает интерференционный узор, который показывает, где скорее всего обнаружатся фотоны.

Такую картину трудно уложить в голове. Но во всяком случае, она дает нам намек на фундаментальную двойственность природы. Не только световые волны могут вести себя как частицы — фотоны, — но и фотоны могут вести себя как волны, пусть даже волны эти абстрактные, квантовые.