Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Очень многие люди – и даже профессиональные ученые – кажутся мне похожими на тех, кто повидал тысячи деревьев, но никогда не видел леса. Знание исторического и философского фона порождает независимость от предрассудков своего поколения, предрассудков, от которых страдает большинство ученых. Эта созданная философской интуицией независимость и является, по моему мнению, знаком отличия между простым ремесленником-специалистом и настоящим искателем истины[715].

Альберт Эйнштейн

ПриложениеЧетыре взгляда на очень странный эксперимент

В 1978 году, вскоре после начала работы в Техасском университете, Джон Уилер предложил мысленный эксперимент, который, по его словам, «позволяет проникнуть в самую суть спора между Бором и Эйнштейном». Он предположил, что «этот эксперимент, возможно, расскажет нам о главном механизме Вселенной»[716]. Уилер назвал его «экспериментом с отложенным выбором» (рис. A.1).

Эксперимент существует в двух конфигурациях. Мы начнем с более простой – на рисунке слева (рис. П.1А). Лазерный пучок (то есть пучок фотонов) появляется из нижнего левого угла и попадает на светоделитель, который (как ясно из названия) расщепляет его на две равные части: одна из них отражается вверх, а другая проходит через светоделитель в правый нижний угол. Оба образовавшихся пучка попадают еще на одно зеркало, каждый на свое, и после отражения от них снова пересекаются. Затем каждый из пучков регистрируется приемником. Это все.

Рис. П.1. Эксперимент Уилера с отложенным выбором. А. Без второго светоделителя индивидуальный фотон попадает на любой из детекторов с вероятностью 50/50. Б. Со вторым светоделителем индивидуальный фотон будет интерферировать сам с собой; это гарантирует, что он никогда не попадет на детектор 2

Теперь рассмотрим тот же эксперимент, но «с изюминкой» (рис. П.1Б, справа). Установим второй светоделитель в верхнем правом углу, в точке, где два пучка пересекаются, прежде чем отправиться на свои приемники. Каждый из наших двух пучков тоже разделится на два: теперь половина каждого пучка пойдет направо, к приемнику 2, а половина – вверх, на приемник 1. Но этот светоделитель сконструирован по-особому: так, чтобы две объединенные половины пучка не вели себя одинаково в обоих направлениях[717]. Те две половины пучка, которые идут вверх, полностью синхронизированы: их холмы и впадины согласованы друг с другом, усиливая объединенную волну. Это конструктивная, или усиливающая, интерференция, та самая, из-за которой появляются яркие полосы в эксперименте с двойной щелью из главы 5. А две половины пучков, направляющиеся направо, находятся в противофазе: максимумы одного точно совпадают с минимумами другого, и они полностью гасят друг друга. Это деструктивная, или ослабляющая, интерференция, ответственная за темные полосы в эксперименте с двойной щелью. В результате приемника 2 свет не достигает – оба пучка, направляющиеся к нему, деструктивно проинтерферировали друг с другом. А свет, попадающий на детектор 1, столь же ярок, как и исходный лазерный пучок, который поступил на первый светоделитель в нижнем левом углу установки.

Пока все нормально. Все, что мы описали, кроме лазера, пока укладывается в рамки классической физики. Попробуем теперь ввести в нашу картину кванты. Сделаем лазерный пучок очень слабым – настолько, насколько это вообще возможно, то есть будем в ходе нашего эксперимента посылать по одному фотону за раз. Пока у нас не появилось второго светоделителя в правом верхнем углу, ситуация остается довольно простой. Фотон регистрируется либо детектором 1, либо детектором 2, а мы, видя, на какой из приемников он пришел, можем сказать, какой из путей он выбрал внутри нашей установки. Если мы будем посылать таким образом много фотонов, по одному за раз, то на каждый из детекторов попадет примерно половина из них.

Однако, говорит Уилер, установка второго светоделителя все очень усложняет. Теперь фотон никогда не придет на детектор 2, так как он будет интерферировать с самим собой, совсем как в эксперименте с двойной щелью. Посылайте по одному столько фотонов, сколько хотите, – все они будут приходить только на детектор 1. Это, говорит Уилер, происходит потому, что каждый фотон выбирает оба пути сразу и интерферирует сам с собой, не давая самому себе прийти на приемник 2. Вводя в схему второй светоделитель, говорит Уилер, «мы делаем бессмысленной саму идею выбора одного из путей»[718].