Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

В наши дни это стало бы громким заявлением. Однако в начале XIX века такое было в принципе возможно, и по крайней мере одному человеку сие удалось. Звали его Томас Юнг, и он был не только врачом, лингвистом, музыкантом-теоретиком и египтологом, расшифровывавшим Розеттский камень, но и одним из величайших научных умов своего времени. Знания Юнга были настолько широки и глубоки, что его биография, опубликованная в 2006 году, носит название «Последний человек, который знал все», а в его профиле на LinkedIn можно было бы запутаться напрочь.
В 1801 году Томас Юнг провел эксперимент, который впервые продемонстрировал одну из главных загадок квантовой механики, хотя сам Юнг тогда об этом не подозревал. Его простой эксперимент имел колоссальные последствия для понимания мироустройства и противоречил здравому смыслу. И хотя Юнг провел его более двухсот лет назад, он заложил экспериментальную основу для теорий, которые впоследствии послужили физикам для предсказания существования параллельных вселенных, дуализма разума и тела и много чего еще более спорного и до одури увлекательного.
Вот что сделал Юнг.
Как проделать дырочки в классической физике
Для начала Юнг взял непрозрачный экран и проделал в нем две щелочки:
Затем он направил на экран пучок света. Пучок был достаточно широким, чтобы пройти сквозь обе щели:
После этого Юнг закрыл левую щель, так что свет проходил только через правую.
И наконец, он поставил за непрозрачным экраном-ширмой второй экран, проекционный, чтобы посмотреть, как выглядит свет после прохождения через щель (рис. вверху).
Результат отнюдь не поражал: Юнг увидел на проекционном экране одно яркое пятно именно там, куда и должен был попасть свет после прохождения через правую щель. И тот же результат Юнг получил, когда перекрыл, наоборот, правую щель: опять яркое пятно именно там, где его следовало ожидать, раз он прошел через левую щель (рис. внизу).
Пока что вывод получался незатейливый: свет может проходить только сквозь отверстия в непрозрачном материале. Так себе интригующая завязка.
Зато дальше начались… странности. На последнем этапе Юнг открыл обе щели, так чтобы свет попадал на проекционный экран и через щель 1, и через щель 2. Как вы думаете, что он увидел?
Дайте угадаю. Скорее всего, вы думаете: «Какая чушь. Я получаю яркое пятно справа на проекционном экране, если открыта правая щель, и яркое пятно слева на проекционном экране, если открыта левая щель. Значит, если открыты обе, ясно, что я увижу два ярких пятна, одно справа и одно слева».
Как бы не так! Получается совсем другое – по крайней мере, если щели у вас достаточно малы и расположены достаточно близко друг к другу, а пучок света подается аккуратно. Вместо одного яркого пятна от правой щели и другого яркого пятна от левой Юнг увидел очень странный и сложный узор. Раньше он с таким не сталкивался.
 
Если вы похожи на обычного физика XVIII века, то, скорее всего, смотрите на последнюю картинку и спрашиваете себя: «Это еще что за чертовщина? Бессмыслица какая-то. Вот я открываю одну щель и получаю пятно на соответствующей стороне проекционного экрана – и это нормально. Но потом я открываю обе щели и вдруг получаю странную череду полос, расположенных через равные промежутки. Что происходит?!»
Изначально этот опыт получил название «эксперимент на двух щелях» и прославился именно потому, что вызвал у всех такую же реакцию, как только что у вас, – он дает странные результаты. Однако, как ни поразительно, Томас Юнг придумал им объяснение.
Когда открыты обе щели, мы ожидаем увидеть просто два пятна света. Но на деле видим гораздо более сложный узор. Юнг заключил, что такое возможно, только если свет из щели 1 смешивается со светом из щели 2 таким интересным образом, что на экране создается неожиданный узор.
Приведу аналогию. Помните классический школьный опыт, когда смешивают соду и уксус, чтобы получилась пена? Если бы вы не знали заранее, что сода с уксусом вступают в реакцию, вы бы ожидали, что смесь соды с уксусом будет выглядеть как скучная горка мокрого порошка. Буквально как сумма частей.
Но выходит иначе: смесь шипит и пузырится – и тоже получается непонятная фигня, совсем как на экране у Томаса Юнга. А раз вы видите отнюдь не горку мокрого порошка, значит, между двумя ингредиентами произошло какое-то взаимодействие. Точно так же непонятная фигня на проекционном экране Юнга подсказала ему, что произошло какое-то взаимодействие между светом из щели 1 и светом из щели 2.
Каким-то образом свет смешивался и порождал результат, который был больше суммы его частей – или по крайней мере отличался от этой суммы.
Физики не любят простые слова вроде «смешиваться», они предпочитают говорить, что свет из щели 1 «интерферирует» со светом из щели 2. Так что строго научный термин, обозначающий непонятную фигню на экране Юнга, – «интерференционная картина».
Поэтому утверждение «Я прорезал две дырки в экране, и напротив него получился вот такой глючный узор из непонятной фигни!» переводится на язык физики как «Профессор, я повторил эксперимент Юнга на двух щелях и смог получить на проекционном экране интерференционную картину. Можно мне диплом? Сил нет выплачивать долги за учебу».
Но Юнг на этом не остановился. Сообразив, что непонятная фигня на проекционном экране вызвана интерференцией между двумя щелями, он сумел еще и предсказать, какие узоры получатся от разных источников света и от разных щелей.
Точные результаты потребуют математики, в которую нам некогда углубляться, но пока скажем, что ведущие умы сочли опыт Юнга чертовски впечатляющим. И лет сто это был самый лучший ответ на вопрос «Откуда взялась эта непонятная фигня на моем проекционном экране?».
Но потом пришел Эйнштейн и все испортил.
Эйнштейн гордо объявил миру, что сделал крайне неприятное открытие: «Эй, ребята, помните, как Макс Планк доказал, что энергия состоит из отдельных порций и на самом деле не непрерывна? Жереми пишет про это в конце „Введения“. Так вот, я только что доказал, что свет тоже состоит из отдельных порций. И назвал их „фотоны“. Вот, собственно, и все, а теперь переписывайте свои учебники на здоровье, болваны».
На первый взгляд неочевидно, почему это подрывает объяснение, которое Юнг дает своему опыту с двумя щелями. Вероятно, вы думаете: «А что такого? Может, фотоны из щели 1 и фотоны из щели 2 смешиваются или отскакивают друг от дружки каким-то особым способом, вот и получается такой узор».
Но будь это так, узор исчезал бы, если бы мы пропускали сквозь щели по одному фотону за раз. Если фотоны не проходят сквозь обе щели одновременно, они не могут ни смешиваться, ни отскакивать друг от дружки, так что мы должны вернуться к простой картинке из двух пятен, которую исходно и ожидали увидеть. Верно ведь?
Именно это и пытались сделать экспериментаторы – они пользовались очень тусклым источником света и пропускали сквозь щели буквально по фотону за раз.
И по мере того, как все больше и больше фотонов по одному попадали на экран… Угадайте, какой узор они начали формировать вместе?