Все, чему нас учили в школе, – не так, как есть на самом деле. Частица – не просто частица. А свет – не просто волна. Да и вообще мы можем менять свойства объектов одним лишь взглядом на них, и никакие законы физики тут не властны. Точнее, властны, но законы не привычной классической физики, а квантовой. Еще одно «но» – эти законы сначала придется открыть.
Фото: Victor de Schwanberg/Science Photo Library
Представьте, что вы приходите в тир. Перед вами ставят пуленепробиваемое стекло с двумя длинными вертикальными щелями, а за ним находится стена. Вы берете автомат и не глядя стреляете, пока не закончатся патроны. Затем стекло убирают. Что вы ожидаете увидеть на стене? Ответ неудивителен – две вертикальные полосы со следами от пуль. Но теперь проделаем то же самое со светом. Вместо автомата возьмем фонарик (а еще лучше – лазер), а пуленепробиваемое стекло заменим светонепроницаемой пластинкой с двумя тонкими вертикальными щелями. Такой эксперимент впервые поставил английский физик Томас Юнг в начале XIX века.
После включения фонарика мы не увидим на стенке позади отверстий две тонких световых полосы – их будет несколько: самая яркая в центре и чуть менее явные – по бокам. Точно так же ведут себя при столкновении круги на воде. После прохождения волнующейся воды через две щели в каждой из щелей начинает кругами расходиться новая волна. При их столкновении в одних местах гребни волн накладываются друг на друга и становятся выше. А в других – гасят друг друга. Это явление называется интерференцией. Юнг доказал, что свет распространяется как волна, а не как набор отдельных частичек, похожих на пули. Какое-то время это объяснение всех устраивало. А затем на сцену физики пришел Эйнштейн. Он предположил, что свет является набором частиц – фотонов. Получилась странная ситуация: у физиков были доказательства и в пользу того, что свет является волной, и в пользу того, что свет – это частицы.
Можно поставить тот же самый опыт не только со светом. У ученых есть электронные пушки, способные стрелять электронами, словно пулями. Вооружившись одной и проведя эксперимент с двумя щелями, мы снова сможем наблюдать интерференцию. Странно, ведь электроны уж точно являются частицами, верно? Может быть, они как-то сталкиваются после прохождения через щели, и это формирует ряд полос? Чтобы проверить, можно не стрелять сразу кучей электронов, как из пулемета, а выпускать их по одному. За пластиной со щелями нужно будет поместить светочувствительную пленку. На ней будут видны места, куда прилетали электроны, – прямо как следы от пуль на стене. Но и при такой постановке опыта мы увидим несколько полос. Даже одиночные электроны ведут себя как волны. Электрон как будто проходит через обе щели одновременно и, как волна, взаимодействует сам с собой.
Дальше еще интереснее. А что если отследить, через какое отверстие прошла частица? Посмотрим на нее после прохождения через щель и отпустим лететь дальше на флуоресцентный экран. После такого опыта мы вновь получим больше вопросов, чем ответов. Интерференция пропадает, и электроны оставляют на экране след в виде двух полос. Словно при наблюдении электрон стесняется показывать свои волновые свойства и ведет себя, как обычная частица. Так в физике появился «эффект наблюдателя». Из-за названия можно подумать, что присутствие экспериментатора влияет на поведение частиц. Но в науке «наблюдение» означает измерение каких-либо свойств объекта. Крупные объекты действительно можно просто разглядеть. Но, чтобы понять траекторию частицы, глаза не помогут. Приходится ставить перед щелями другую пушку, стреляющую фотонами. Анализируя их поведение, можно понять, где пролетел электрон.
Но и такой обстрел не проходит бесследно. После него электрон уже не может вести себя как раньше. Возвращаясь к аналогии с автоматом, представьте, что вы бы стреляли в полной темноте и бросали через щели монеты. По звуку столкновения монеты с пулей можно понять, где она пролетала. Но после этого траектория пули изменится. Присутствие человека-наблюдателя здесь совсем не важно – частицы «стесняются» даже лабораторных приборов. Точно такой же эксперимент можно запустить и в пустой лаборатории, и эффект получится тот же, если за электронами будет «наблюдать» пушка, а не вы. Как именно частица узнает, что за ней наблюдают, – сейчас самая большая загадка.
Физики пришли к выводу, что верны обе теории: фотоны и электроны ведут себя и как волны, и как частицы. Это легло в основу концепции корпускулярно-волнового дуализма (подробнее здесь). Пока частицы находятся «в свободном полете» и ни с чем не взаимодействуют, они проявляют свойства волны и могут распространяться сразу во все стороны. Они словно не хотят определяться, где именно им быть, и понемногу находятся сразу везде. Но иногда приходится взаимодействовать с другими объектами – будь то фотоны из пушки или флуоресцентный экран. В таком случае электроны и фотоны ведут себя как частицы. Нам это непривычно: крупные объекты работают иначе. Но на масштабе микрочастиц действуют другие законы.
Проявлять такие удивительные свойства могут не только фотоны и электроны. Но чем крупнее тело, тем больше оно ведет себя как частица и меньше – как волна. Интерферировать могут целые молекулы. А теоретически – даже человек. Интересное должно быть ощущение, но для этого придется как-то пройти через щель размером меньше атома. Настолько эффективной диеты физики пока не придумал.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
