О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Туманную, волновую природу квантового мира живо иллюстрирует знаменитый эксперимент с двойной щелью. Схема этого опыта представлена на рис. 20. Электронная пушка обстреливает электронами барьер, в котором имеются две узких параллельных щели; за барьером установлен экран, и когда в него попадает электрон, в этой точке экрана регистрируется слабая вспышка. Допустим, мы настроили пушку так, что она стреляет одиночными электронами, скажем, раз в несколько секунд. Тогда мы увидим, что каждый электрон, который проходит сквозь щель в барьере, попадает в определенную точку на экране и производит вспышку. То есть индивидуальные электроны не рассеиваются, и в этом нет ничего удивительного – такова природа электронов как частиц. Однако, если мы будем продолжать этот эксперимент в течение некоторого времени, накапливая информацию о положениях точек попадания в экран многих электронов, на экране постепенно появится интерференционная картина: система ярких и темных полос, напоминающая ту, которую мы видим при наложении участков двух волн (см. рис. 20). Подобные интерференционные узоры в эксперименте с двойной щелью наблюдались и с участием других частиц: фотонов, атомов и даже молекул.

КВАНТОВЫЕ ВОЛНЫ ЧЕМ-ТО ПОХОЖИ НА ВОЛНЫ ПРЕСТУПНОСТИ: ПРИХОД ВОЛНЫ ПРЕСТУПНОСТИ В ВАШ РАЙОН ОЗНАЧАЕТ, ЧТО ВЕРОЯТНОСТЬ СОВЕРШЕНИЯ ПРЕСТУПЛЕНИЙ ПО СОСЕДСТВУ С ВАШИМ ЖИЛИЩЕМ ВОЗРАСТАЕТ.

Рис. 20. Знаменитый эксперимент с двойной щелью, впервые выполненный с электронами в 1927 году в лаборатории компании «Белл», продемонстрировал, что электрон – частица, имеющая и волновые свойства. Квантовая механика объясняет появление интерференционной картины на экране, описывая каждый индивидуальный электрон как распространяющуюся в пространстве волновую функцию, которая расщепляется на щелях. Затем, распространяясь по другую сторону щелей, ее участки накладываются друг на друга и создают на экране картину распределения высоких и низких вероятностей попадания.

Интерференционные картины свидетельствует о том, что каждая индивидуальная частица обладает некими глубоко волновыми свойствами, которые позволяют ей «знать» о существовании обеих щелей. Именно эти свойства и отражает волновая функция частицы. Описывая электроны не как движущиеся частицы, но как распространяющиеся волны вероятности, уравнение Шрёдингера предсказывает, что, совсем как интерферирующие волны на поверхности пруда, участки волновой функции электрона, выходящие из щелей, будут накладываться и переплетаться, образуя в результате картину высоких и низких значений, которые соответствуют высоким и низким вероятностям попадания каждого индивидуального электрона в ту или иную точку экрана. Там, куда волновые фрагменты, выходящие из обеих щелей, прибывают синхронно друг с другом, они усиливают друг друга; там, куда они прибывают в противофазе, они взаимно гасятся. Когда пушка выстреливает одну частицу за другой, накопленное распределение положений точек их попадания в экран соответствует вероятностному профилю, закодированному в волновой функции каждой индивидуальной частицы, в результате чего и возникает наблюдаемая интерференционная картина. Получается, что каждая индивидуальная частица «знает» о существовании обеих щелей именно на этом глубоком уровне своей волны вероятности.

Вероятностные предсказания квантовой теории согласуются с результатами всех когда-либо выполнявшихся экспериментов с частицами. Но здравому смыслу эти квантовые правила противоречат. Квантовое описание частиц как абстрактных волновых наложений взаимно противоречивых реалий расходится с нашим ежедневным опытом, согласно которому объект находится в каком-то определенном месте – либо в одном, либо в другом. И конечно, это – по крайней мере иногда – беспокоило отцов-основателей теории квантов. По словам Эрвина Шрёдингера, квантовая Вселенная «даже не является мыслимой», ведь «как мы ни думаем о ней, получается нелепость; возможно, не настолько бессмысленная, как “треугольный круг”, но в гораздо большей степени, чем “крылатый лев”»[98].

Спустя два десятилетия контринтуитивная природа квантовой механики не давала покоя и Ричарду Фейнману. Ученик визионера Уилера, Фейнман стал одним из самых влиятельных физиков XX века, он внес огромный вклад во многие области знания, от физики частиц до теории тяготения и до науки о вычислениях. Всемирная слава пришла к Фейнману, когда, будучи членом Президентской комиссии Роджерса, расследовавшей катастрофу «Челленджера», он в ходе телевизионных слушаний в прямом эфире продемонстрировал роковой дефект уплотнительных колец шаттла. Позже в отчете комиссии он специально подчеркнул: «Чтобы техника работала успешно, реальность надо ставить выше благоприятного публичного освещения – ведь природу вокруг пальца не обведешь».