В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Одним из лучших и самых известных преподавателей квантовой механики был Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института. Его трехтомник «Фейнмановские лекции по физике», опубликованный в начале 1960-х, задал планку для всех пособий для студентов, а в 1965 году он принимал участие в подготовке популярных лекций по теме для телесериала ВВС, выпущенных затем под названием «Характер физических законов». Родившийся в 1918 году Фейнман в 1940-х пребывал на пике карьеры физика-теоретика, когда он внес свой вклад в разработку квантовой версии электромагнетизма, названной квантовой электродинамикой; за эту работу он в 1965 году получил Нобелевскую премию. Особое место Фейнмана в истории квантовой теории показывает роль первого поколения физиков, которые выросли на установившихся принципах квантовой механики, когда все основные законы уже были заложены. Тогда как Гейзенбергу и Дираку приходилось работать в изменяющейся обстановке, когда новые идеи не всегда появлялись в правильном порядке и не всегда логическая связь между различными понятиями (как в случае со спином) оказывалась сразу же очевидна, у поколения Фейнмана впервые были все части мозаики, и логическая связь между ними становилась очевидной, если и не сразу, то после некоторого осмысления и интеллектуальной работы. Поэтому важно то, что, в то время как Паули и его последователи в пылу момента думали, что обсуждение квантовой механики и обучение ей необходимо начинать с принципа неопределенности, Фейнман вместе с другими учителями последних десятилетий, отыскивая логику самостоятельно, вместо того чтобы пересказывать идеи прошлых поколений, решили подойти к этому с другой стороны. На первой странице тома своих лекций, посвященных квантовой механике, Фейнман пишет, что ядром квантовой теории является эксперимент с двумя прорезями. Почему? Потому что это «явление, которое невозможно, абсолютно

невозможно объяснить классическим образом и которое лежит в самом сердце квантовой механики. На самом деле есть только одна загадка… основные черты квантовой механики».

Ранее в этой книге я пытался, как и великие физики первой трети XX века, объяснить квантовые идеи с позиции обычного мира. Теперь, отталкиваясь от главной загадки, пора сбросить шоры повседневного опыта, насколько это возможно, и объяснить обычный мир с позиции квантовой механики. Нет такой аналогии, которую можно провести из повседневного мира в квантовый, и поведение квантового мира ничего не напоминает нам. Никто не знает, почему квантовый мир ведет себя именно таким образом, мы знаем лишь то, что он ведет себя именно так. Можно ухватиться всего за две соломинки. Первая заключается в том, что и «частицы» (электроны), и «волны» (фотоны) ведут себя одинаково – правила игры неизменны. Вторая – в том, что, как выразился Фейнман, существует лишь одна загадка. Если понять эксперимент с двумя прорезями, половина пути к победе будет уже пройдена, поскольку «любая другая ситуация в квантовой механике, как оказывается, всегда может быть объяснена словами: „Помните эксперимент с двумя прорезями? Это то же самое"»[46]

.

Эксперимент работает следующим образом. Представьте какой-нибудь экран, например стену, в котором сделаны две маленькие прорези. Это могут быть две длинные узкие прорези, как в знаменитом эксперименте Юнга со светом, однако также подойдут маленькие круглые отверстия. С одной стороны этой стены находится другая стена, в которой расположен детектор. Если проводить эксперимент со светом, то детектором может быть белая поверхность, на которой можно увидеть светлые и темные полосы, но это также может быть фотопластинка, которую можно проявить и изучить на досуге. Если мы экспериментируем с электронами, то экран можно заполнить множеством детекторов электронов или можно взять детектор на колесах, который можно двигать как угодно, чтобы узнать, сколько электронов попадает в определенную точку экрана. Детали не столь важны, важно, что у нас есть некоторый способ регистрировать происходящее на экране. С другой стороны стены с двумя прорезями находится источник фотонов, электронов или чего угодно. Это может быть просто лампа или же электронная пушка, подобная той, которая создает картину на экране катодной трубки. Опять же детали не важны. Что происходит, когда проходящие через две прорези частицы попадают на экран? Как они распределяются на нем?

Рис. 8.1. Когда пучок электронов проходит через одну прорезь, большая часть «частиц» оказывается распределена в район этой прорези.

Рис. 8.2. Электрон или фотон, проходящий через одну из двух прорезей, в соответствии со здравым смыслом «должен» вести себя так же, как если бы он прошел только через одну прорезь.