Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком

Вся квантовая механика может быть выведена путём тщательного осмысления следствия одного этого эксперимента.

Ричард Фейнман, один из основателей квантовой теории

Томас Юнг провёл свой знаменитый двухщелевой эксперимент ещё в далёком 1801 году. В чём суть опыта? Есть источник света, есть экран. Между ними помещают непрозрачную пластинку, в которой сделана длинная прорезь. На регистрирующем экране мы получаем тонкую полоску света. Сделаем ещё одну, параллельную прорезь рядом с первой. Мы ожидаем увидеть две полосы на экране, считая, что фотоны (кванты света) – это частицы. Но удивительно: полос не две. На нашем экране появляется узор из чередующихся тёмных и светлых полос (интерференционная картина). Точка, в которой пересекаются вершины волн, дающие наивысшую интенсивность, – это яркие линии.

Этот эксперимент стал самым часто повторяемым за всю историю физики. Он показывает, что свет – это не поток частиц, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.

Однако это было только началом. Около 100 лет назад Эйнштейн с другими физиками исследовал свойства света, и расчёты показывали, что свет всё‑таки состоит из частиц (фотонов). Но опыт Юнга показывал, что свет – это волна. Тогда ввели такое понятие, как «корпускулярно-волновой дуализм». То есть иногда свет ведёт себя как волна, а иногда – как частица (корпускула). Это кажется странным, но дальше всё становится ещё страннее.

#физикишутят

Узнав о корпускулярно-волновом дуализме, энергетическая компания стала присылать сразу две платёжки: за свет в виде частицы и за свет в виде волны.

Физики смогли провести опыт Юнга с двумя щелями, но не со светом, а с пучком электронов. Учёные всегда сомневались: свет – это частицы или волна? А вот по поводу электронов сомнений не было [4].

Учёные стали стрелять электронами по экрану с двумя прорезями. Удивительно, но получился интерференционный узор! Выпустили электроны – маленькие частицы материи, но получили рисунок, как в опыте с волной света. Как частицы материи создают интерференционный узор, словно волны?

Физики подумали: возможно, электроны, как маленькие шарики, отталкиваются друг от друга и создают такой узор? И учёные решили выпускать электроны по одному, чтобы исключить вероятность их взаимодействия друг с другом. И опять знакомая интерференционная картина!

Как это возможно? Что вызвало интерференцию ОДНОГО электрона? Электрон – неделимая частица. Единичный электрон вылетает как частица, приобретает свойство волны, пролетая через обе щели одновременно. Он проходит через одну щель и проходит через другую. Физики были озадачены. Получается, электрон в момент прохождения пластины не существует как реальный объект с реальными координатами, а находится в двух местах одновременно.

Учёные решили понаблюдать, через какую щель электроны проходят на самом деле.

Глава 4

Влияние наблюдателя

Физики установили измеряющий прибор (датчик) возле одной щели, чтобы зарегистрировать, через какую именно щель пройдёт электрон. И оказывается, что квантовый мир и мистика не столь далеки друг от друга

. Картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос, т. е. никакой интерференции. Электроны как будто знали, что за ними наблюдают, и не захотели проявлять свою волновую природу.

#физикишутят

«Ощущаю на себе мощь квантовой теории: работаю, только когда за мной наблюдают…»

Впоследствии этот эксперимент повторяли и с другими частицами, с атомами и со скоплениями атомов. Он всегда работает! Самые большие частицы, с которыми удалось к настоящему времени проделать опыт, – это молекулы, состоящие примерно из 2000 атомов. То есть такой размер – доказанная граница микромира, где действуют законы квантовой физики. Если вы будете бросать камешки в забор с двумя щелями, камешки будут пролетать в одну из щелей и интерферировать не будут. В микромире действуют другие законы. (Хотя позже вы увидите, что даже в макромире могут происходить любые чудеса, включая неожиданные результаты бросания камешков, однако вероятность такого события очень мала.)

Конечно, опыт с датчиком ставит в тупик не только нас с вами, но и физиков всего мира. Эксперимент много раз пытались оспорить и опровергнуть. Но результаты всегда одни и те же: все объекты микромира проявляют себя как волны, и только когда мы за ними наблюдаем – становятся частицами. Получается, что…