Про эту вашу физику
Шрифт:
А вот дальше началось то, от чего сам Эйнштейн испытал знатное удивление и в итоге тоже на всех обиделся. Как дядюшка Альберт объяснил фотоэффект? Легко и по-пацански! Один квант света выбивает ровно один электрон. Как частица частицу. Поэтому увеличиваем интенсивность света: летит больше фотонов, выбивается больше электронов. Энергия выбивания всё та же. Но если мы меняем фотону цвет, то электроны вылетают с иными скоростями. Беда в том, что цвет фотона описывается волновыми свойствами, а именно: длиной волны и частотой. Получалось, что энергия этого самого фотона зашифрована в цвете фотона, то есть в частоте. Если цвет красный, то фотоны просто не в силах выбить электроны из фотопластинки — вся их энергия уходит на преодоления так называемой «энергии связи» — электроны же не так просто выдернуть из материала, они там как
Все это было неприятно. Давайте нарисуем интерферометр глазами Эйнштейна:
Здесь у нас происходит смена концепции. К зеркалам летит уже не волна, а кванты-фотоны-частицы. Пытающийся спасти положение классический доквантовый физик рассуждает так: фотоны летят до зеркала, далее случайным образом расщепляются на два пучка по половине фотонов в каждом, и в итоге после всех приключений эти пучки интерферируют. Странно, конечно, что частицы интерферируют как волны, но вот такая природа света. Давайте назовем это явление корпускулярно-волновым дуализмом и забудем обо всем этом недоразумении.
К несчастью теоретиков в проблему вмешались технологии.
Сначала более точный эксперимент показал, что как не меняй интенсивность света — интерференционная картинка не меняется. А должна бы, если интенсивность — это энергия. Полоски не становились шире или ярче. Интенсивность света влияла только на скорость проявления картинки на экране. Если запускать фотоны малыми порциями всего-то по паре сотен миллиардов за раз, то картинка на экране будет постепенно становиться всё четче и четче. А если выстрелить добрым куском из пары тысяч триллионов фотонов, то сразу получится отличная фоточка.
Как мы сказали выше, физики, включая Эйнштейна, по-прежнему говорили, ну и что, фотоны из первого пучка интерферируют с фотонами из второго пучка. Допустим, только допустим, что энергия не зависит от интенсивности — ну и, ладушки. Мы выдумали термин «корпускулярно волновой дуализм» — пользуйтесь.
Но это было полбеды. Инженеры как раз собрали устройство, которое называется «квантовый генератор» или лазер, по-нашему. Квантовый генератор умел делать одну прикольную вещь: стрелять одиночным фотоном. Теперь то станет понятно, как получается интерференция, обрадовались ученые и крикнули: к коллайдеру! — то есть к интерферометру!
Некоторые читатели уже сообразили, что запущенный фотон прошел через интерферометр и влетел в экран, оставив точечный след. Ученые запустили следующий фотон. На экране появилась вторая точка. Полет нормальный. Затем точно так же по одному было запущено еще несколько миллионов фотонов. И экспериментаторы схватились за головы: из точек на экране сложилась картина из полосок — старая добрая интерференция, будь она не ладна. Здравый смысл нервно курил в сторонке. Запущенный через щель мяч обязательно прилетает в центр стены напротив! А здесь выходило, что одиночный фотон проходит через адскую машинку и каким-то образом укладывается в строго заданный рисунок так, чтобы получились загадочные интерференционные полоски. А науке известно, что интерференционная картинка получается только в тех случаях, когда встречаются, как минимум, две волны, когда в результате наложения двух максимумов появляется еще более крутая волна. Караул! Приводя в качестве аналогии морскую волну, представим, что мы кидаем в воду булыжник, волны от него расходятся в разные стороны, но по законам магии волна касается берега только в одной точке и нигде больше. Как это можно объяснить?
Эйнштейн сказал, что это, извините, ерунда. Тут же, очевидно, скрытые параметры, коллеги, мы, по-видимому, еще не все знаем о микромире, давайте выпьем и спокойно подумаем. Но неуемные Макс Борн и Нильс Бор (однофамильцы что ли?) начали спорить с гуру физики — вообще этот период истории науки настолько эпичен, что мы рекомендуем вам выделить время и почитать соответствующие книги или статьи — ни
Классики науки не захотели так просто сдаться и признать, что физику нужно переписывать с самых основ. У них появилась отличная идея: посмотреть, по какому пути на самом деле летит фотон после прохождения полупрозрачного зеркала. Давайте, сказали они, поставим на одной из траекторий детектор, который поймает фотон, и увидим, что по-настоящему происходит в интерферометре. А потом, чего уж там, как-нибудь и интерференцию объясним.
Как только они поставили детектор, поглощающий фотон на одном из путей, произошло два тревожных события.
Во-первых, детектор либо ловил, либо не ловил фотон. Это к радости физиков означало, что в момент пролета полупрозрачного зеркала, квант все-таки не раздваивается, выбирает куда полететь, и либо врезается в детектор, либо улетает к экрану.
А во-вторых… а во-вторых, исчезла интерференционная картинка. Фотон, выбравший путь до экрана, летит к нему и оставляет там след, который при массовом повторении эксперимента вдруг превращается не в полоски, а в круглое пятнышко. Вот как раз то же самое, что стрельба мячом по стене через щель. Иначе говоря, фотон как будто «узнает», что ему поставили препятствие на одной из траекторий, и он сразу теряет интерес быть волнистым. Это как такое вообще может быть?
Поэтому Борн, Гейзенберг, Бор и другие надмозги написали свой вариант происходящего, так сказать с графиками и лаборантками. Давайте нальем себе кофе с чем-нибудь полезным, выгоним всех из помещения, чтобы не мешали, помассируем виски и несколько раз прочитаем нижеследующие абзацы. Потому что сейчас будет срыв покрывал и простыней со всего того, во что вы верили и хотите верить дальше. Борн за это получил Нобелевскую премию, а мы с вами сейчас получим головную боль!
Вот, что происходит в интерферометре по мнению квантовых физиков. Фотон летит к полупрозрачному зеркалу, влетает в него, и в этот момент его состояние меняется. Да, вероятности его движения по траекториям, по-прежнему, делятся пополам. По 50 % на каждый путь. В случае, если мы захотим посмотреть, по какому пути гуляет фотон, то мы найдем его либо тут, либо там. Это логично и понятно, но есть важный нюанс: пока мы не пытаемся определить точное местонахождение частицы, она существует в вероятностном виде на обоих путях одновременно. То есть, если вы классический физик, вы говорите: фотон после разделителя летит с вероятностью 50 % либо по одному пути, либо по другому. А если вы физик квантовый, то вы говорите: фотон после разделителя находится в суперпозиции, он одновременно и там, и там: пока никто не мешает, реализуются оба варианта. Или, как правильнее говорить, фотон существует в виде волн вероятностей.
И если же мы не будем пытаться его поймать, то эти вероятности спокойненько и не торопясь «пролетят» по обоим путям и интерферируют, выдав местонахождение фотона в виде следа на экране. На этой тонкой разнице рухнула вся классическая механика.
Наличие детектора или, как это называют в физике, «наблюдение», убивает суперпозицию фотона. То есть, обнаруживая на путях детектор, суперпозиция самоуничтожается, фотон рэндомно и непредсказуемо переходит в одно из имеющихся определенных состояний, «выбирает», по какому пути ему теперь, горемычному, лететь и, собственно, туда и летит. Если вы уже заражены литературой по квантовой магии, материальности мыслей, то самое время отметить, что «наблюдение» — это не появление высшего разума с ушами возле мирового интерферометра. Наблюдение — обычная ситуация, препятствие, которое ломает фотону всё приключение, заставляя его двигаться только по одному пути вместо одновременного движения по нескольким.