Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

Когда открыты обе щели, мы ожидаем увидеть просто два пятна света. Но на деле видим гораздо более сложный узор. Юнг заключил, что такое возможно, только если свет из щели 1 смешивается со светом из щели 2 таким интересным образом, что на экране создается неожиданный узор.

Приведу аналогию. Помните классический школьный опыт, когда смешивают соду и уксус, чтобы получилась пена? Если бы вы не знали заранее, что сода с уксусом вступают в реакцию, вы бы ожидали, что смесь соды с уксусом будет выглядеть как скучная горка мокрого порошка. Буквально как сумма частей.

Но выходит иначе: смесь шипит и пузырится – и тоже получается непонятная фигня, совсем как на экране у Томаса Юнга. А раз вы видите отнюдь не горку мокрого порошка, значит, между двумя ингредиентами произошло какое-то взаимодействие. Точно так же непонятная фигня на проекционном экране Юнга подсказала ему, что произошло какое-то взаимодействие между светом из щели 1 и светом из щели 2.

Каким-то образом свет смешивался и порождал результат, который был больше суммы его частей – или по крайней мере отличался от этой суммы.

Физики не любят простые слова вроде «смешиваться», они предпочитают говорить, что свет из щели 1 «интерферирует» со светом из щели 2. Так что строго научный термин, обозначающий непонятную фигню на экране Юнга, – «интерференционная картина».

Поэтому утверждение «Я прорезал две дырки в экране, и напротив него получился вот такой глючный узор из непонятной фигни!» переводится на язык физики как «Профессор, я повторил эксперимент Юнга на двух щелях и смог получить на проекционном экране интерференционную картину. Можно мне диплом? Сил нет выплачивать долги за учебу».

Но Юнг на этом не остановился. Сообразив, что непонятная фигня на проекционном экране вызвана интерференцией между двумя щелями, он сумел еще и предсказать, какие узоры получатся от разных источников света и от разных щелей.

Точные результаты потребуют математики, в которую нам некогда углубляться, но пока скажем, что ведущие умы сочли опыт Юнга чертовски впечатляющим. И лет сто это был самый лучший ответ на вопрос «Откуда взялась эта непонятная фигня на моем проекционном экране?».

Но потом пришел Эйнштейн и все испортил.

Эйнштейн гордо объявил миру, что сделал крайне неприятное открытие: «Эй, ребята, помните, как Макс Планк доказал, что энергия состоит из отдельных порций и на самом деле не непрерывна? Жереми пишет про это в конце „Введения“. Так вот, я только что доказал, что свет тоже состоит из отдельных порций. И назвал их „фотоны“. Вот, собственно, и все, а теперь переписывайте свои учебники на здоровье, болваны».

На первый взгляд неочевидно, почему это подрывает объяснение, которое Юнг дает своему опыту с двумя щелями. Вероятно, вы думаете: «А что такого? Может, фотоны из щели 1 и фотоны из щели 2 смешиваются или отскакивают друг от дружки каким-то особым способом, вот и получается такой узор».

Но будь это так, узор исчезал бы, если бы мы пропускали сквозь щели по одному фотону за раз. Если фотоны не проходят сквозь обе щели одновременно, они не могут ни смешиваться, ни отскакивать друг от дружки, так что мы должны вернуться к простой картинке из двух пятен, которую исходно и ожидали увидеть. Верно ведь?

Именно это и пытались сделать экспериментаторы – они пользовались очень тусклым источником света и пропускали сквозь щели буквально по фотону за раз.

И по мере того, как все больше и больше фотонов по одному попадали на экран… Угадайте, какой узор они начали формировать вместе?

Да ту же самую треклятую интерференционную картину!

Как такое возможно? С одной стороны, складывается впечатление, что свет из щели 1 как-то влияет на свет из щели 2 – иначе как объяснить интерференционную картину?

Но с другой стороны, складывается впечатление, что интерференция происходит, даже если через щели проходит ровно по одной частице света за раз. Каким образом однаединственная частица может повлиять на возникновение интерференционной картины? Она что, сама с собой интерферирует? Разве такое возможно?

А если она интерферирует сама с собой, сквозь какую из щелей она прошла? Сквозь правую? Сквозь левую? Сквозь обе?

О нет, она прошла сквозь обе, так ведь?

Да. Да, так и было. Этот проклятый мелкий фотон-одиночка буквально прошел сквозь обе щели одновременно.

Ну вот, получите-распишитесь. Тот факт, что свет состоит из частиц, в сочетании с результатами двухщелевого эксперимента Юнга вынудил физиков признать вероятность крайне неприятного развития событий: квантовые частицы вроде фотонов могут находиться в двух местах одновременно.

И это не единичный случай. Со времен Эйнштейна и Планка много других экспериментов показали, что субатомные частицы (строительные блоки для атомов) ведут себя так, словно находятся в двух местах сразу или движутся с разной скоростью либо в разные стороны одновременно.