Глава 1. Фокус природы

Вместо того чтобы сыпать научными терминами на первых же страницах этой книги, я сначала опишу простой эксперимент. Позволю себе предположить, что он покажется вам настоящей магией. Вы можете мне не поверить – тут уж вам решать. Любой фокусник оберегает свои секреты, так что я не стану сразу объяснять вам, как именно и почему это происходит. Однако, в отличие от случая с фокусами, узнавая о квантовом мире все больше, вы постепенно поймете, что здесь дело не в ловкости рук, не в спрятанных зеркалах и не в потайных перегородках. На самом деле вы должны прийти к выводу, что рационального объяснения описываемому мной положению вещей просто не существует.

Поскольку я уже и так слишком много раз использовал прилагательные «странный», «загадочный» и «удивительный», я больше не буду тратить время на предисловия и перейду к делу. Я собираюсь описать настоящий эксперимент, и вам придется поверить, что наблюдаемое – это не просто теоретические спекуляции. Провести этот эксперимент при наличии должного оснащения несложно; к нему прибегали неоднократно и по-разному. Также важно уточнить, что я опишу эксперимент не с позиции человека, который понимает квантовую физику, а с позиции читателя, который еще не знает, чего ожидать и как принять поразительные результаты. Полагаю, вы попробуете осознать их с точки зрения логики, опираясь на тот свод правил, которые считаете здравым смыслом, однако квантовые физики объясняют все иначе. Но об этом позже.

Прежде всего стоит сказать, что фокус – с вашего позволения я все же пока буду называть его фокусом – можно повторить, просто направив луч света на специальный экран; именно так эту процедуру и описывают во многих текстах. Однако в действительности природа света и сама по себе довольно необычна, из-за чего эффект становится не столь драматичным. В школе нас учат, что свет ведет себя, как волна, и может состоять из волн разной длины (что и дает разные цвета спектра, которые мы видим в радуге). Он демонстрирует все свойства, характерные для волн, включая интерференцию (наложение двух волн), дифракцию (рассеивание волн при прохождении сквозь узкое отверстие) и рефракцию (искажение волн при прохождении сквозь разные прозрачные субстанции). Эти феномены связаны с тем, как волны ведут себя, когда встречают на своем пути препятствия или когда встречаются друг с другом. Я же упомянул о необычной природе света потому, что его волновое поведение не описывает всей картины. На самом деле Эйнштейн получил Нобелевскую премию, показав, что свет может демонстрировать совсем не волновое поведение, но подробнее об этом мы поговорим в следующей главе. Для эксперимента с двумя прорезями достаточно предположить, что свет является волной, так как в этом случае все складывается как нельзя интереснее.

Сначала пучок света направляется на экран с двумя узкими прорезями, которые позволяют части света проникнуть сквозь них и упасть на второй экран, где наблюдается картина интерференции. Эта последовательность светлых и темных полос возникает в результате того, что отдельные световые волны, проникающие сквозь прорези, рассеиваются, накладываются друг на друга и сливаются, прежде чем попасть на задний экран. Там, где два гребня (или две впадины) волн встречаются, они сливаются вместе и образовывают более высокий гребень (или более глубокую впадину), который соответствует более интенсивному свету и, следовательно, более яркой полосе на экране. Но там, где гребень одной волны встречается с впадиной другой, они взаимоисключают друг друга, в результате чего на экране появляется темная полоса. Некоторое количество света между этими двумя крайностями сохраняется, поэтому рисунок на экране получается несколько размытым. Следовательно, интерференция наблюдается исключительно потому, что свет ведет себя, как волна, и проникает одновременно через обе прорези. Надеюсь, здесь вопросов еще нет.

Подобный эксперимент можно провести с использованием песка. На этот раз второй экран располагается под первым и в дело вступает гравитация. Когда песок падает на верхний экран, на нижнем экране под прорезями образуются две отдельные кучки. В этом нет ничего удивительного, ведь каждая песчинка должна пройти либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь; в этом случае волн нет, а следовательно, не происходит и интерференции. Если прорези одинаковы по размеру, а песок на верхний экран высыпается ровно между ними, две кучки песка на нижнем экране будут одинаковы по высоте.

Проникая сквозь две узкие прорези, свет формирует полосы на экране вследствие интерференции световых волн, проходящих сквозь прорези. Само собой, это происходит, только если источник света «монохромен» (то есть дает свет с одинаковой длиной волны).

И тут мы переходим к самому интересному – пробуем повторить тот же фокус с атомами. Специальный аппарат – за неимением лучшего имени назовем его атомной пушкой – выстреливает пучок атомов на экран с двумя достаточно узкими прорезями. Второй экран покрывается специальным слоем, на котором вспыхивают крошечные огоньки, когда атом касается его.

Конечно, не стоит и говорить, что атомы представляют собой мельчайшие частицы, а следовательно, должны вести себя подобно песку, а не подобно распространенным волнам, которые могут проходить одновременно сквозь обе прорези.

Песчинки, само собой, не ведут себя, как волны, и формируют под прорезями две отдельные кучки.

Сначала мы проводим эксперимент, открыв только одну прорезь. Вполне ожидаемо на заднем экране за этой прорезью вспыхивают несколько отстоящие друг от друга огоньки. Это небольшое рассеивание огоньков может озаботить вас, если вы уже кое-что знаете о волновом поведении, ведь именно это происходит с волной, проходящей сквозь узкую прорезь (дифракция). Однако мы тут же заверяем себя, что волноваться пока не стоит, поскольку некоторые атомы могли задеть края прорези и отлететь в сторону, вместо того чтобы пройти прямо насквозь, что и может объяснить их рассеивание.

Далее мы открываем вторую прорезь и ожидаем, когда на экране появятся огоньки. Если бы я сейчас попросил вас предположить, как они распределятся на этот раз, вы бы, само собой, сказали, что они будут напоминать две кучки песка. Иначе говоря, что за каждой из прорезей образуется скопление огоньков, два отдельных световых пятна, более ярких в центре и постепенно меркнущих к периферии, куда атомы будут попадать реже. Расстояние между двумя световыми пятнами будет темным, соответствуя той области экрана, достичь которой атомам одинаково сложно, сквозь какую из прорезей они бы ни пролетали.

Теперь повторим тот же фокус с атомами. Когда одна из прорезей закрыта, атомы проходят только сквозь открытую прорезь. Распределение точек на заднем экране показывает, куда попали атомы. Хотя незначительный разброс и объясняется волновым свойством под названием дифракция, мы все же можем утверждать, что атомы ведут себя, как частицы, и результат эксперимента аналогичен тому, что мы видели в случае с кучками песка.

Что ж – сюрприз! – атомы ведут себя иначе. Вместо двух световых пятен мы видим картину интерференции, составленную светлыми и темными полосами, прямо как в случае со светом. И самой яркой частью экрана – хотите верьте, хотите нет – становится центр, где мы вообще не ожидали увидеть ни одного атома!

Мы можем попытаться объяснить, как это происходит. Хотя атом представляет собой крошечную локализованную частицу (в конце концов, каждый атом ударяется об экран в одной конкретной точке), потоки атомов как будто тайком договариваются друг с другом вести себя подобно волне. Атомы омывают первый экран, после чего те, которые сумели проникнуть сквозь прорези, «интерферируют» с путями друг друга посредством атомных сил таким образом, который в точности повторяет картину, получаемую при наложении друг на друга гребней и впадин двух волн. Возможно, атомы сталкиваются особым, согласованным путем и таким образом направляют друг друга на экран. Казалось бы, атомы совершенно не похожи на распространенные волны (такие как волны света и звука или водяные волны), но, вероятно, нам не следует и ожидать, что они будут вести себя в точности как песчинки.

Вот здесь земля и уходит у нас из-под ног. Начнем с того, что узор полос на заднем экране каким-то образом связан с тем, как интерферируют две волны. Как и в случае с обычными волнами, детали этой картины зависят от ширины прорезей, расстояния между ними и между экранами.

Само по себе это не является доказательством того, что атомы ведут себя подобно волнам. Однако эксперимент с двумя прорезями не только проводился с атомами, он проводился и в таких условиях, когда отдельные атомы выпускались по одиночке! Иначе говоря, новый атом выпускался только в тот момент, когда на заднем экране уже вспыхивал огонек, сигнализирующий о попадании предыдущего, и так далее. Таким образом в каждый момент времени через наш аппарат проходит лишь один атом. Каждый атом, которому удается пройти сквозь прорезь, оставляет крошечный огонек в некотором месте экрана. На практике большая часть атомов не проходит сквозь узкие прорези первого экрана, но нам интересны лишь те, которые все же пролетают сквозь них.

Наблюдаемое невероятно. Огоньков постепенно становится все больше, а там, где они располагаются особенно плотно, проявляются световые полосы картины интерференции. Между этими полосами возникают темные области, куда попадает очень мало атомов или не попадает вовсе.

Казалось бы, мы уже не можем утверждать, что атомы, пролетающие сквозь одну прорезь, сталкиваются с атомами, пролетающими сквозь другую. Картина интерференции не может быть результатом коллективного поведения. Так что тогда происходит? Особенно примечательным этот результат делает то, что на втором экране существуют области, куда атомы попадают, когда открыта только одна из прорезей. Открывая вторую прорезь, мы предоставляем атомам другой маршрут и ожидаем, что шансы на попадание атомов в эти области увеличатся. Однако, когда открыты обе прорези, атомы вообще не попадают туда. А значит, если атом действительно проходит только через одну прорезь, он должен каким-то образом понимать, открыта ли вторая, и действовать соответствующе!

Получается, что каждый атом, выстреливаемый из пушки, покидает ее в качестве крошечной «локализованной» частицы и попадает на второй экран тоже в качестве частицы, что подтверждается крошечным огоньком, который загорается, когда атом достигает места своего назначения. Но между этими событиями, в процессе прохождения сквозь прорези, с ним происходит что-то загадочное, подобное поведению распространенной волны, которая делится на две части, проходящие сквозь разные прорези и интерферирующие друг с другом по другую сторону первого экрана. Как иначе нам объяснить, как атом знает о существовании обеих прорезей?

Когда я показывал фокусы на днях рождениях своих детей – теперь мои дети стали уже слишком большими для таких глупостей, – среди гостей всегда находилась парочка умников, которые утверждали, что знают все мои секреты. Они требовали, чтобы я позволил им заглянуть к себе в рукава, за ширму и под стол, надеясь подловить меня на чем-то. Такое поведение обычно раздражает, но для научных экспериментов оно даже полезно. Так что давайте заглянем природе в рукав и притаимся за одной из прорезей, чтобы проследить, как на самом деле ведут себя атомы. Для этого можно установить за одной из прорезей детектор атомов, который ловит все атомы, проходящие сквозь нее. В результате мы увидим, что детектор время от времени будет ловить атомы, но ни разу не поймает часть атома. В ином случае мы могли бы сказать, что «оставшаяся часть атома» проходит сквозь другую прорезь. Конечно, иногда атомы будут проходить через другую прорезь и оставлять огоньки на втором экране. Само собой, распределение этих огоньков не будет показывать нам картину интерференции, потому что атомы снова будут проходить лишь сквозь одну прорезь, как и в первой части эксперимента, когда только одна прорезь была для них открыта. Вот только теперь, вместо того чтобы закрыть вторую прорезь, мы детектором поймали все атомы, которые прошли сквозь нее.

Наверное, вы уже начинаете сомневаться в истинности моих слов. Одно дело, когда атомы магическим образом превращаются из крошечных частиц в распространенные волны, встречая на своем пути два возможных маршрута прохождения сквозь первый экран. Может, здесь происходит еще не объясненный физический процесс. Однако совсем другое дело предположить, что атом каким-то образом знает о детекторе, который спрятан за одной из прорезей и готов поймать его в рассеянном состоянии. Такое впечатление, что он заранее знает, что мы лежим в засаде и караулим его, а потому он хитрит и остается в форме частицы!

Открыты обе щели, а атомы выстреливаются по одному за раз. Каждый следующий выпускается только тогда, когда на втором экране загорается огонек. Кажется, что каждый атом ударяется в произвольное место экрана и сначала нет никакого очевидного паттерна. Постепенно количество огоньков увеличивается, и мы начинаем видеть картину интерференции. Что происходит? Неужели атомы сговорились между собой, чтобы образовать эту картину, которая является результатом волнового поведения? Такое впечатление, что каждый атом с большей вероятностью ударяется в одни области, чем в другие. Очевидно, что в перемещении одного атома задействован какой-то волнообразный процесс. Но картина интерференции возникает только тогда, когда волна проходит сквозь обе прорези. Как крошечный атом, который вылетает из пушки в качестве локализованной частицы и в определенном месте ударяется о второй экран, проходит одновременно сквозь обе прорези?

Но даже здесь мы на самом деле ничего не добавили к изначальным условиям. Вероятно, детектор обладает способностью превращать рассеянную «волну» атома обратно в локализованную частицу, точно так же, как это делает второй экран, когда атом достигает его.

Детектор можно настроить и менее агрессивным образом, чтобы он просто регистрировал «сигнал», когда атом проходит сквозь наблюдаемую прорезь на пути к экрану. Если атом не регистрируется детектором, но на втором экране появляется огонек, это означает, что атом прошел сквозь другую прорезь. Само собой, я говорю упрощенно: позднее мы увидим, что детектор не может зарегистрировать сигнал, не работая с должной степенью агрессивности.

Вы можете подумать, что у нас наконец появилось доказательство, что атомы проходят либо сквозь одну прорезь, либо сквозь другую, как мы по праву и ожидаем, и точно не через две прорези одновременно, подобно рассеянной волне. Но не радуйтесь раньше времени и взгляните на экран. Детектор зарегистрировал сигнал атомов, которые прошли сквозь наблюдаемую прорезь, и поэтому вы уверены, что половина прошла сквозь одну прорезь, а половина – сквозь другую, однако картина интерференции при этом пропала! Вместо нее на экране видны всего два ярких световых пятна напротив каждой из прорезей. Теперь атомы повели себя, как частицы, прямо как песчинки. Такое впечатление, что атом ведет себя, как волна, при встрече с прорезями, однако если мы следим за ним, он невинно остается крошечной частицей. С ума сойти, правда?

При добавлении детектора, который регистрирует, сквозь какую из щелей прошел атом, картина интерференции исчезает. Такое впечатление, что атомы не хотят, чтобы кто-то увидел, что они проходят одновременно сквозь обе прорези, и выбирают лишь одну из них. Две полосы, образующиеся на экране напротив прорезей, являются результатом поведения в духе частиц – такую же картину мы наблюдаем и при проведении опыта с песком.

Внизу: Детектор отключен, и мы не знаем, какой путь выбирает каждый из атомов. Теперь, когда ничто не угрожает раскрыть их тайну, атомы возвращаются к поведению в духе волн, и мы снова видим картину интерференции!

Конечно, вы можете оказаться одним из тех, кого не так-то просто впечатлить, и даже сейчас решите, что в этом нет ничего особенно удивительного. Быть может, само присутствие большого детектора на пути атомов каким-то образом влияет на их странное и осторожное поведение. Но все же проблема, похоже, не в этом, потому что можно выключить детектор – и лишить себя возможности узнать, через какую из прорезей проходит атом, – и на втором экране снова проявится картина интерференции. Атом остается частицей на всем протяжении своего пути только тогда, когда за ним наблюдают. Очевидно, главное тут – сам факт наблюдения.

Словно бы этого недостаточно, фокус становится еще необычнее. Даже если признать, что атомы – хитрые негодники, может оказаться, что они все же недостаточно хитры! Давайте позволим атомам проходить сквозь прорези – конечно же по одному за раз – и делать все необходимое, для того чтобы на втором экране проявилась картина интерференции. Но теперь мы точно поймаем их с поличным. В так называемых экспериментах «с отложенным выбором» можно установить детектор на место и включить его только после того, как атом пройдет сквозь прорези. Мы сможем удостовериться в этом, контролируя энергию выпускаемых атомов и таким образом понимая, сколько времени нужно любому из атомов, чтобы достичь первого экрана.

Такой эксперимент действительно проводился с фотонами, а не с атомами, но суть остается прежней. Современная высокоскоростная электроника позволяет расположить детектор достаточно близко к одной из прорезей, чтобы он сумел определить, прошел ли сквозь нее атом, но включаться этот детектор должен только тогда, когда атом, ведущий себя, как рассеянная волна, пройдет сквозь обе прорези, но еще не достигнет детектора. Конечно же, в этот момент атому будет уже слишком поздно вдруг решить вести себя, как локализованная частица, которая прошла только сквозь одну из прорезей. Но не тут-то было! В таких экспериментах картина интерференции все равно исчезает.

Что происходит? Все это напоминает магию, и я подозреваю, что вы мне не верите. Что ж, физики много лет пытались вывести логичное объяснение наблюдаемого. Здесь мне, пожалуй, стоит уточнить, что именно я подразумеваю под «логичным объяснением». Я использую этот термин в простом, обыденном смысле, имея в виду объяснение, которое полностью вписывается в рамки того, что мы считаем рациональным, разумным и осмысленным, и в то же время не вступает в противоречие или в открытый конфликт с поведением других явлений, которые мы можем наблюдать непосредственно.

На самом деле квантовая механика дает нам полностью логичное объяснение фокуса с двумя прорезями. Но это объяснение относится только к тому, что мы наблюдаем, но не к тому, что происходит, когда мы не смотрим. Однако, раз уж нам приходится отталкиваться от того, что мы можем увидеть и измерить, нам, вероятно, нет смысла просить большего. Как нам осознать истинность или допустимость явления, которое нам в принципе никогда не удастся проверить? Любая наша попытка меняет результат.

Может, я слишком много прошу от слова «логичный». В конце концов, в нашей жизни огромное количество моментов, когда мы можем назвать поведение чего-либо нелогичным или иррациональным. Все это означает, что такое поведение оказалось в некотором роде неожиданным. В целом мы должны иметь возможность анализировать поведение на основании причинно-следственных связей: что одно происходит в результате другого и так далее. Неважно, насколько сложна цепочка событий, приведших к определенному поведению, и неважно, что мы не можем полностью осознать каждый шаг. Важно то, что наблюдаемое каким-то образом может быть объяснено. Могут работать новые процессы, новые свойства или качества природы, которые еще не поняты или даже не открыты. Важно только то, что для объяснения происходящего мы можем применять логику, какой бы витиеватой она ни была.

Физикам пришлось признать, что в случае с фокусом с двумя прорезями рационального выхода не существует. Можно объяснить, что мы видим, но не почему. Какими бы странными вам ни казались предсказания квантовой механики, нужно подчеркнуть, что странная на самом деле не теория, разработанная человеком, а сама Природа, которая настаивает на столь странной реальности в микроскопическом масштабе.

Несколько лет назад я прочитал стихотворение Роберта Фроста «Другая дорога», которое американцы назвали своим самым популярным стихотворением на все времена. Фрост, который давно считается самым любимым поэтом Америки XX века, практически всю жизнь провел в Новой Англии и писал в основном о деревенской жизни сельского Нью-Гэмпшира. Несколько меланхоличная «Другая дорога» – прекрасный пример его творчества. Она также проникает – и в этом не было умысла Фроста – в самую суть того, каким должен быть квантовый мир:

Хотя мы часто тяготимся сожалениями по поводу своего выбора, квантовая механика утверждает, что на субатомном уровне все совсем иначе. Когда мы встречаемся с квантовым миром впервые, он кажется нам невероятным, потому что мы судим его на основании собственных предрассудков, вынесенных из обыденной жизни, то есть на основании того, что мы называем здравым смыслом. Но квантовые объекты, без сомнения, ведут себя чуждым образом. Один атом может пройти по обеим дорогам в осеннем лесу Фроста… Атомы не печалятся о своем выборе, потому что могут одновременно проверить все возможные варианты. Они явно следуют совету великого американского бейсболиста Йоги Берры, который сказал: «Если вы нашли на дороге вилку, поднимите ее».

Квантовый лыжник. Чтобы подчеркнуть, насколько необычно поведение квантовых частиц, можно представить себе лыжника, которому необходимо обогнуть дерево, стоящее у него на пути, и который решил объехать его с обеих сторон сразу. В нашем обычном мире деревьев и лыжников это конечно же покажется просто шуткой. Но в квантовом мире это происходит на самом деле.

То, что мы увидели в этой главе, представляет собой лишь один пример проявления квантового феномена, называемого «суперпозицией». Я мог бы описать любой из множества одинаково удивительных «фокусов», основывающихся на квантовой суперпозиции, а также нескольких других поразительных чертах, уникальных для квантового мира. Надеюсь, эта глава не отпугнула вас, ведь впереди нас ждет увлекательное путешествие.