Как понять поведение электрона

Хочу рассказать вам об одном физическом эксперименте, который одним элегантным движением расширяет наше сознание

Хочу рассказать вам об одной из самых красивых идей. Это физический эксперимент, и он красив, потому что одним элегантным движением он расширяет наше сознание, заставляя нас понять, что объекты могут вести себя таким образом, который нам и представить сложно. Но что примечательно, его можно рассчитать. Он прекрасен, потому что ставит под сомнение основополагающие принципы логики, на которых мы построили наше понимание мира. Прекрасен, потому что обманчиво прост для понимания, но его последствия пугают. Будем надеяться, ваша картина мира будет разрушена. Дальше — текст от первого лица рассказчика с Wired.

Это было одиннадцать лет назад. Я был первокурсником колледжа, сидел в физической лаборатории, выключив свет, и смотрел на пустой экран компьютера. На фоне играли хиты 80-х.

Итак, что мне было дано. На столе передо мной была коробка с двумя тонкими щелевидными отверстиями на одном конце. Мы стреляем частицами в эту коробку через щели. Я проводил эксперимент с фотонами, частицами света, но можно проводить его и с электронами, да и, в принципе, с чем угодно. Это мог быть даже мяч из 60 атомов углерода, который будет огромным по сравнению с электронами. Для удобства я буду называть объекты эксперимента электронами, но имейте в виду, что это может быть любой материал, который разбивается на части.

На другом конце коробки — ПЗС-камера, которая делает снимок, когда что-то попадает в нее. Каждый раз, когда частица проходит через коробку, я вижу, как соответствующая точка загорается на экране моего компьютера.

Для пущей осторожности мы настроили эксперимент так, что в любой момент времени внутри коробки может быть только одна частица. Представьте, что очень крошечный мячик забрасывается в коробку. Музыка играет, мы сидим и ждем.

Что бы вы ожидали увидеть на другом конце коробки? Если электроны ведут себя как волны, вы увидите яркие и темные полосы, словно рябь в резервуаре с водой. Это происходит, потому что волны интерферируют друг с другом, гасятся, когда пик одной встречается с другой волной, и усиливаются, когда пики выстраиваются в линию.

Но электроны — не волны, это цельные куски. Я знаю это, потому что вижу, как они прибывают на экран по одиночке и бьют в одно место, словно капли дождя по асфальту. И если электроны — это цельные куски, вы увидите только их нагромождение за щелью и нигде больше. Короче, вы ожидаете, что они будут вести себя как мячи.

И правда, если вы проводите эксперимент только с одной открытой щелью, они ведут себя подобно мячикам, попадая в строгую полосу позади открытой щели. Разумно предположить, что когда мы откроем обе щели, мы увидим две полосы — соответственно каждой щели.

Что делают электроны?

Посмотрите сами. На этом видео, сделанном учеными Hitachi в 1989 году, вы можете видеть, что творят электроны. Видео ускорено в 30 раз.

Нужно время, чтобы понять, насколько это странно. Так или иначе, электроны создали эту интерференционную картину из светлых и темных полос. Но они отправлялись по одному, так как же они могли интерферировать друг с другом? Если вы представите электрон в виде крошечного мячика, вам придется сделать вывод, что электрон, проходящий через одну щель, проскальзывает и через другую. Он выбирает оба пути и интерферирует сам с собой. Полная нелепица.

Давайте вернемся назад и попытаемся собрать воедино все данные. Рождается очевидный вопрос, который нужно задать. Подумайте об электроне, который попал на экран. Через какую щель он прошел?

Через левую?

Нет. Потому что когда вы прикрываете правую щель, полосатая картина исчезает и вы остаетесь со скучной одной полоской.

Через правую?

Нет. По той же причине, что и выше. Если закрыть левую щель, вы снова получите скучную полоску.

Через обе?

Нет. Потому что если бы это было правдой, мы ожидали бы увидеть, как электрон делится на две части, и один электрон (или его половина) проходит через каждую щель. Но если вы поместите детекторы на щелях, вы обнаружите, что этого не происходит. Вы всегда будете видеть только один электрон одновременно. Он никогда не распадается на две части.

Вообще нигде не проходит?

Нет. Конечно нет, что за глупости. Если вы прикроете обе щели, ничего не произойдет.

В этот момент вы начинаете думать, что все это становится немного смешным. Почему мы не можем просто проследить за проклятым электроном и узнать, через какую щель он проходит? Проблема в том, что смотреть на что-либо означает подсвечивать его, а если подсветить электрон, это означает столкнуть его с фотоном. Если вы крошечный электрон, такой удар собьет вас с пути.

Но вот погодите. Может быть, если сделать удар очень и очень мягкий, вы не потревожите электрон? Незадача в том, что если вы сделаете свет более нежным (ниже импульсом), вы сделаете его более рассеянным (увеличите длину волны) и в конечном итоге не сможете сказать, через какую щель прошел электрон.

Это тупик. Любая схема, которую вы можете придумать для определения маршрута электрона, уничтожит интерференционную картину.

Подводя итог, мы пришли к полосатому узору, который создается одной частицей. Но если вы пытаетесь выяснить, как именно частица оказывается на стене, вы приходите к выводу, что она не выбирает левый маршрут, не выбирает правый маршрут, не выбирает оба пути и не отказывается от обоих. Как отметил профессор Массачусетского технологического института Аллан Адамс, это в значительной степени исчерпывает все логические возможности.

Электрон не похож на волну, поскольку, в отличие от волны, попадает на экран в одной точке. Электрон не похож на мячик, поскольку если вы бросите его через двойную щель, он интерферирует и образует узор из полос. Нет никакой аналогии, которая поможет вам понять, что такое электрон. Это долбаная магия.

Как говорил на своих лекциях по квантмеху Аллан Адамс:

!Эти электроны делают что-то, о чем мы никогда не думали прежде, о чем никогда не мечтали, о чем даже слов подходящих в языке нет.!

Получается, что эмпирические электроны обладают способом передвижения и существования, который отличается от всего, к чему мы привыкли. Как и молекулы. И бактерии. Эти объекты просто сложно обнаружить. Физики придумали название такой модели бытия. Мы называем ее суперпозицией.

Иногда полезно думать об электроне как о частице, иногда полезно думать о нем как о волне. Но это всего лишь удобно для нашей речи, и оба способа именования неполные. Электрон — не волна и не частица. Электрон — это электрон. То же самое касается фотона, атома, мячика или гигантской молекулы, что там у вас было. Чем крупнее объект, тем сложнее увидеть эти полосы.

Вернер Гейзенберг, один из создателей квантовой механики, хорошо это понял. В 1930 году он написал:

"Решение проблемы в том, что две ментальные картины, которые формирует у нас эксперимент — одна с частицей и одна с волной — обе неполны и обладают только приближенными аналогиями, которые являются точными только в определенных случаях. Кажущаяся двойственность возникает только из-за ограничений нашего языка."

Как учил Гейзенберг и другие, хотя язык подводит нас, мы можем придумать правила, которые точно объяснят, как крошечные вещицы ведут себя. Эти правила и есть квантовая механика. Используя эти правила, физики могут бросаться сложными фразами типа «волновая функция электрона находится в суперпозиции и проходит через левую и правую щели». Эти предложения крайне точно объясняются математическими выражениями, и на их основе делаются самые точные эксперименты. Не хватает только целостной картины, которую вы можете сложить у себя в голове и которая объяснит, какой путь выбирает электрон. Более того, мы практически уверены, что такая картина никогда не сложится.

Нет ничего удивительного в том, что наши обезьяньи мозги, которые развивались, бросая копья и камни средних размеров, не могут визуализировать поведение очень маленьких вещей. Но что еще больше удивляет, что даже при том, что мы не можем представить себе этот квантовый мир, нам удалось выработать правила игры.