Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

екран. Утім, як ви вже, можливо, здогадалися, побачите зовсім не це, принаймні якщо щілини достатньо вузькі й достатньо близькі одна до одної. Натомість ви побачите інтерференційну фігуру, подібну до тієї, яку побачив Юнґ у випадку світлових хвиль. Схоже, що електрони, які є частинками, у цьому випадку поводяться точно як світлові хвилі. У квантовій механіці частинки мають хвилеподібні властивості.

Те, що електронні «хвилі» з однієї щілини можуть інтерферувати з електронними «хвилями» з іншої щілини, несподівано та дивно, проте аж ніяк не настільки дивно, як те, що станеться, якщо спрямовувати електрони на екран поодинці. Навіть у цьому випадку на екрані вибудовується фігура, ідентична до інтерференційної. Якимось чином кожен електрон інтерферує із самим собою. Електрони не більярдні кулі.

Це можна зрозуміти так: імовірність зіткнення електрона з екраном у кожній точці визначається шляхом сприйняття кожного електрона як такого, що рухається не якоюсь однією траєкторією, а одночасно багатьма різними траєкторіями, деякі з яких проходять крізь першу щілину, а деякі інші – через другу. Тоді ті, що проходять крізь першу щілину, інтерферують із тими, що проходять крізь другу, породжуючи на екрані спостережувану інтерференційну фігуру.

Простіше кажучи, не можна сказати, що електрон проходить крізь першу або крізь другу щілину, як це робила б більярдна куля. Натомість він не проходить крізь жодну, водночас проходячи крізь обидві.

«Маячня», – скажете ви. І запропонуєте варіант експерименту, щоб це довести. Поставимо на кожну щілину електронно-вимірювальний пристрій, який клацатиме щоразу, як через цю щілину пролітатиме електрон.

Проте якщо тепер поглянути на фігуру з електронів, що накопичуються на екрані поза щілинами, замість початкової інтерференційної фігури ми побачимо фігуру, яку очікували від самого початку: зі світлими ділянками поза кожною зі щілин, точно як у випадку, якби ми обстрілювали екран більярдними кулями чи снарядами.

Іншими словами, спробувавши перевірити своє класичне передбачення, ви змінили поведінку електронів. Або, як зазвичай постулюється у квантовій механіці, вимірювання системи може змінювати її поведінку.

Один із багатьох на перший погляд неможливих аспектів квантової механіки полягає в тому, що неможливо провести жодного експерименту, який демонструє, що за відсутності вимірювання електрони поводяться осмисленим класичним чином.

Ця дивна хвилеподібна природа об’єктів, які в іншому разі вважали б частинками на кшталт електронів, математично виражається шляхом присвоєння кожному електрону «хвильової функції», яка описує ймовірність виявлення цього електрона в будь-якій поданій точці. Якщо хвильова функція приймає ненульові значення в багатьох різних точках, то положення електрона не може бути ізольоване заздалегідь до точного вимірювання його положення. Іншими словами, існує ненульова ймовірність, що перед вимірюванням електрон насправді не локалізується в якійсь одній конкретній точці в просторі.

Хоча можна подумати, що це лише проблема відсутності доступу до всієї інформації, потрібної для знаходження частинки до здійснення вимірювання, експеримент Юнґа з двома щілинами, застосований до електронів, показує, що це абсолютно точно не так. Будь-яка «осмислена» класична картина того, що відбувається між вимірюваннями, не відповідає даним.

* * *

Дивна поведінка електронів була не першим свідченням того, що мікроскопічний світ не можна зрозуміти за допомогою інтуїтивної класичної логіки. І знов-таки, продовжуючи традицію революційних проривів у нашому розумінні природи з часів Платона, відкриття квантової механіки почалося з вивчення світла.

Згадаймо, що якщо провести Юнґів експеримент із двома щілинами над світловими променями в Платоновій печері, то матимемо на стіні інтерференційну фігуру, яку відкрив Юнґ, котра демонструє, що світло дійсно є хвилею. Поки що все добре. Утім, якщо джерело світла достатньо слабке, то, якщо ми спробуємо засікти світло під час проходження через якусь зі щілин, станеться дуже дивна річ. Згідно з нашими вимірюваннями, промінь світла проходитиме через першу або через другу щілину, проте не через обидві. І, як й у випадку з електронами, у цьому разі фігура на стіні зміниться й виглядатиме так, як виглядала б, якби світло складалося з частинок, а не хвиль.

Фактично світло також поводиться і як частинка, і як хвиля залежно від обставин, за яких ви вирішите його вимірювати. Окремі частинки світла, які ми нині називаємо фотонами, вперше назвав квантами німецький фізик-теоретик Макс Планк, який 1900 року висунув твердження, що існує якась найменша порція світла, яка може бути випромінена чи поглинена (хоча ідею, що світло може складатися з дискретних пакетів, висунув іще раніше, 1877 року, видатнй Людвіг Больцман).

Чим більше я дізнавався про життя Планка, тим більше його поважав. Як Ейнштейн, він був безоплатним лектором, і після захисту дисертації йому не запропонували академічної посади. Цей період своєї кар’єри Планк присвятив намаганням зрозуміти природу тепла та створив кілька важливих праць із термодинаміки. Через п’ять років після захисту дисертації йому врешті-решт запропонували університетську посаду, після чого Планк швидко піднявся кар’єрними щаблями й 1892 року став штатним професором престижного Берлінського університету.

1894 року Макс Планк звернувся до питання природи світла, випромінюваного гарячими об’єктами, почасти з комерційних міркувань (перший на моїй пам’яті приклад у моїй оповіді, коли фундаментальна фізика була комерційно вмотивована). Йому замовили вивчити, як видобути максимальну кількість світла з нещодавно винайдених лампочок розжарювання, використовуючи при цьому мінімальну кількість енергії.

Усі ми знаємо, що в процесі розігрівання спіралі духовки вона спершу світиться червоним, а коли стає ще гарячішою, починає світитися синім. Але чому? Як не дивно, традиційні підходи до цієї проблеми були нездатні відтворити ці спостереження. Віддавши цій проблемі шість років, Планк презентував революційну здогадку про випромінювання, яка узгоджувалася зі спостереженнями.

Спершу нічого революційного в його виведеннях не було, але через два місяці вчений переглянув свій аналіз, аби охопити ідеї про те, що відбувається на фундаментальному рівні. За висловом самого Планка, уперше прочитавши який, я одразу ж його полюбив, його новий підхід виник як «жест відчаю… я був ладен пожертвувати всіма своїми попередніми переконаннями щодо фізики».

Для мене це є відображенням фундаментальної якості, яка робить науковий процес настільки ефективним і яка настільки яскраво проявилася в розвитку квантової механіки. «Попередні переконання» – лише переконання, що чекають на спростування; якщо потрібно, емпіричними даними. Якщо такі