Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Навіть через багато років після відкриття правил квантової механіки ця дисципліна продовжує підносити сюрпризи. Приміром, 1952 року астрофізик Генбері Браун збудував прилад для вимірювання кутового розміру великих джерел радіохвиль у небі. Він працював настільки добре, що вони з колегою Річардом Твіссом спробували застосувати цю саму ідею для вимірювання оптичного світла від окремих зір для визначення їхнього кутового розміру. Багато фізиків стверджували, що їхній інструмент, названий інтерферометром інтенсивностей, не буде працювати. Вони були переконані, що квантова механіка це виключає.

Але він спрацював. Це був не перший і далеко не останній раз, коли фізики помилялися щодо квантової механіки…

Опановування химерної поведінки квантової механіки нерідко означає прийняття того, що здавалося неможливим. Як жартівливо висловився сам Браун, намагаючись пояснити теорію свого інтерферометра інтенсивностей, вони з Твіссом тлумачили «парадоксальну природу світла, або, якщо хочете, пояснювали незбагненне, себто робили щось дуже й вельми несподівано схоже на проповідування афанасіївського символу віри». І справді, подібно до багатьох із найхимерніших результатів квантової механіки, Свята Трійця – Отець, Син та Дух Святий, одночасно втілені в єдиній сутності, – також здається неможливою. Зрештою, цим подібність вичерпується.

Здоровий глузд також каже нам, що світло не може бути одночасно і хвилею, і частинкою. Утім, попри підказки здорового глузду й незалежно від того, подобається нам це чи ні, експерименти показують, що саме так воно і є. На відміну від складеного в V столітті символу віри, цей факт є не лише справою семантики, вибору чи віри. Тож нам немає потреби щотижня декламувати символи віри квантової механіки, аби вони видавалися менш химерними чи більш правдоподібними.

Ми чуємо про «інтерпретації квантової механіки» з вагомої причини: «класична» картина реальності, тобто картина, створена Ньютоновими законами класичного руху світу в тому вигляді, який ми сприймаємо в людських масштабах, не годиться для охоплення всієї картини. Поверхневий світ, який ми сприймаємо, приховує ключові аспекти процесів, які лежать в основі феноменів, що ми їх спостерігаємо. Так само Платонові філософи не могли відкрити біологічні процеси, що керують людьми, лише спостерігаючи за тінями людей на стіні. Будь-який рівень аналізу навряд чи дав би їм змогу інтуїтивно вирахувати повну реальність, приховану за темними формами.

Квантовий світ відкидає наші поняття про те, що є осмисленим або навіть узагалі можливим. Він каже, що в малих масштабах та впродовж коротких періодів часу проста класична поведінка макроскопічних об’єктів – наприклад, бейсбольних м’ячів, які пітчер кидає кетчеру, – просто-таки ламається. Натомість у малих масштабах об’єкти демонструють багато різних класичних поведінок, а також класично недопустимих поведінок одночасно.

Квантова механіка, як і майже вся фізика з часів Платона, почалася з роздумів науковців про світло. Тому розпочати вивчення квантового божевілля доречно саме зі світла, цього разу повернувшись до важливого експерименту, який уперше описав британський полімат[5] Томас Юнґ на початку ХІХ століття, а саме знаменитого «експерименту з двома щілинами».

Юнґ жив в епоху, яку сьогодні дуже важко собі уявити; у ті часи розумна та працьовита особа могла зробити прориви одразу в безлічі різних сфер. Проте Юнґ був не просто розумною та працьовитою особою. Він був вундеркіндом, який у два роки навчився читати, а до тринадцяти років прочитав найвідоміші грецькі й римські епоси, збудував мікроскоп і телескоп та вивчав одразу чотири мови. Пізніше, 1806 року, маючи лікарський фах, Юнґ першим запропонував сучасну концепцію енергії, яка нині пронизує всі сфери наукового пошуку. Цього вже вистачило б, щоб він увійшов в історію, проте у вільний від роботи час Юнґ одним із перших допомагав розшифрувати ієрогліфи на Розетському камені. Він розробив фізику еластичних матеріалів, пов’язану з тим, що нині зветься модулем Юнґа, і першим пролив світло на фізіологію кольорового зору. А його дивна демонстрація хвильової природи світла (яка йшла врозріз з авторитетним твердженням Ісаака Ньютона, що світло складається з частинок) була настільки захопливою, що допомогла Максвеллу закласти підвалини відкриття електромагнітних хвиль.

Експеримент Юнґа дуже простий. Повернімося до Платонової печери та уявімо собі екран, розташований перед її задньою стінкою. Зробімо в екрані дві щілини, як показано нижче (вигляд згори):

Якщо світло складається з частинок, тоді промені світла, що пройдуть крізь щілини, утворять на стіні поза ними дві світлі лінії:

Проте було добре відомо, що хвилі, на відміну від частинок, в околах бар’єрів та вузьких щілин дифрагують і утворили б на стіні зовсім інше зображення. Якщо хвилі натикаються на бар’єр і якщо кожна зі щілин достатньо вузька, на кожній із них утворюються хвилі, що розходяться колом, і ці хвилі з двох щілин «втручатимуться»[6] одна в одну, подеколи конструктивно, а подеколи деструктивно. У результаті на задній стінці утворюється фігура зі світлих та темних ділянок, як показано нижче:

Використовуючи простий пристрій із вузькими щілинами, Юнґ описав цю інтерференційну фігуру та характеристики хвиль і дуже переконливо продемонстрував хвильову природу світла. Ця подія 1804 року стала віхою в історії фізики.

Можна спробувати відтворити експеримент Юнґа, узявши замість світла елементарні частинки на кшталт електронів. Якщо направити пучок електронів на фосфоресцентний екран, як ті, що в старих телевізорах, у місці зіткнення променя з екраном побачимо яскраву цятку.

Тепер уявімо, що ми помістили перед екраном дві щілини, як Юнґ перед світлом, і спрямуємо на екран широкий пучок електронів:

Послуговуючись обґрунтуванням, яке я навів під час обговорення поведінки світла, природно було б очікувати побачити світлі смуги за кожною зі щілин, через які електрони можуть потрапити на