4. «Реальность» в физике

Волновая функция вероятности присутствия

До сих пор мы рассматривали фотон как электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве. Проблема состоит в том, что эта волна не поддается обнаружению, поскольку она исчезает при любой попытке ее обнаружить. Более того, нам приходится представить электромагнитное поле, распределенное в огромном пространстве, которое мгновенно исчезает, чтобы сконцентрироваться в единой точке (там, где фотон был поглощен): этот факт является по меньшей мере интригующим.

На самом деле точная природа фотона как волны окончательно не определена, поскольку эта волна никогда не будет обнаружена. Понятие реальности в данном случае теряет свой смысл: смысл имеет только то, что можно измерить и наблюдать. Во время своего распространения фотон может быть чем угодно, это абсолютно не важно, поскольку гипотезу невозможно подтвердить: важен только способ его поведения в процессе обнаружения.

Между тем мы видим, что обнаружение, если оно случайно, не происходит в случайной точке: оно подчиняется закону вероятностей. Если точнее, можно вычислить «волновую функцию» (вероятность присутствия) фотона: она указывает на возможность обнаружить фотон в каждой точке пространства.

Опыт показывает, что волновая функция распределена не хаотично: она меняется во времени и пространстве определенным образом и является полностью детерминистской в зависимости от окружающей среды. В опыте Юнга присутствие двух отверстий «моделирует» волновую функцию определенным образом: на стене эта вероятность присутствия «колышется», в темных зонах она нулевая и максимальная в светлых зонах.

Согласно такой точке зрения фотон уже не рассматривается как электромагнитная волна, когда он распространяется. Его рассматривают только как точечную частицу, и волновая функция лишь помогает нам узнать, где эта частица имеет шансы быть обнаруженной.

Так, фотон становится точечной частицей, чье положение в определенный момент управляется волновой функцией: электромагнитное поле больше не распределяется в пространстве подобно электромагнитной волне.

Необходимо понимать, что здесь есть две точки зрения, которые стоят друг друга:

• или мы считаем фотон электромагнитной волной, которая концентрируется в одной точке при попытке ее обнаружения;

• или мы считаем фотон точечной частицей, чья вероятность присутствия во время обнаружения управляется волной.

В каждой из двух точек зрения мы встречаем явный корпускулярно-волновой дуализм фотона, который рассматривается по-разному.

Доступна ли «реальность»?

Реальность, которую трудно постичь

Новая точка зрения, которую мы только что предложили, разрешает некоторые странные вопросы, которые мы задавали как перспективу увидеть, как поле мгновенно концентрируется в одной точке пространства. Но возникают и другие вопросы: если волновая функция может быть определена математически, гораздо труднее представить, чем это может быть физически.

Волну на поверхности воды легко увидеть: она представляет собой колебание поверхности. Электромагнитную волну представить сложнее: в данном случае колеблется электрическое поле. Но что сказать о «волновой функции», ведь, по сути, это вероятность? Если речь о «вероятности присутствия», значит, там, где находится волна, вовсе не обязательно что-то должно присутствовать. Начиная с этого момента само существование волновой функции становится сложно постичь.

Здесь мы касаемся великой сложности квантовой физики: она изучает мир не нашего масштаба, в котором мы не можем провести никаких параллелей с нашей повседневной жизнью. Усилие, которое необходимо сделать, чтобы вновь представить материю и свет такими, какими они могут быть в совершенно ином масштабе, возможно, обречено на провал или, во всяком случае, очень трудно.

Реальность в классической физике: не вполне ясное понятие…

Отметим, что в классической физике концепт реальности тоже не всегда легко определить. Например, электромагнитная волна, о которой мы говорили в предыдущих главах, возможно, не более реальна, чем волновая функция. В самом деле, электрическое поле – это всего лишь плод воображения. Это нечто такое, что может привести в движение любой заряд, помещенный в заданную точку, даже если эта точка пустое место в пространстве.

Мы могли бы считать, что два заряда взаимодействуют напрямую друг с другом без вмешательства электрического поля: в этом случае там, где заканчивается материя, ничего не происходит. Чем говорить о свете, который передает энергию одного заряда другому, мы сказали бы, что два заряда взаимодействуют друг с другом с определенной задержкой.

Говорить, что свет «не существует» и является лишь плодом воображения, не такое уж шокирующее заявление для нашей повседневной жизни. В конце концов, когда мы посмотрим вокруг, мы увидим не свет, а лишь предметы, которые его излучают. Возьмите лазерный луч: пучок света не будет виден, будет видна лишь светящаяся точка на стене, то есть сама стена. Вы всегда можете посыпать пылью на пути лазерного луча, чтобы он стал видимым, но в данном случае вы опять-таки видите лишь саму пыль.

Мы прекрасно понимаем, что для того, чтобы увидеть свет, нужна материя: мы могли бы освободиться от понятия света и сказать, что мы видим лишь материю вокруг себя. С точки зрения физики это объясняется просто: когда мы смотрим на Солнце, колебание зарядов внутри Солнца вызывает колебание зарядов внутри наших глаз и нашего мозга с помощью электромагнитной силы. В этой фразе нет ни слова о свете, и тем не менее она точно отражает реальность.

С этого момента понятие волновой функции выглядит еще более «виртуальным» концептом, который добавляется к «виртуальному» концепту электрического поля.

Волновая функция как основа Вселенной

При таких размышлениях нам хочется заключить, что «реальна» только материя, а все остальное лишь промежуточные математические построения. Между тем в следующей главе мы увидим, что против всяких ожиданий фотон и электрон (то есть свет и материя) имеют огромное сходство: у них одинаковая дуалистическая природа. Сделать свет простым математическим посредником – все равно что сделать то же самое с материей: не останется больше ничего, чем заполнить Вселенную. Именно поэтому лучше рассматривать волновую функцию как реальность и даже как основу реальности, которая нас окружает, даже если это концептуально сложно.

Некоторые физики заключают, что мы должны ограничиться математическими законами, которые «работают», не пытаясь подробно объяснить их физически, потому что сама суть вещей непостижима. Но факт в том, что через сто десять лет после рождения квантовой физики ученые все еще не пришли к согласию относительно физического объяснения этих законов…

Следующая глава поможет иначе взглянуть на мир, который нас окружает, рассматривая природу материи, а не света. Мы узнаем, почему понятие «волновой функции» лежит в основе Вселенной.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Поглощение и испускание света материей может происходить только определенными «порциями» энергии, которые называются квантами света, а также фотонами. Эта энергия пропорциональна частоте излучения согласно закону Ε = hν.

• Квантовая природа света объясняет, что тела с обычной температурой излучают инфракрасные волны, тогда как более горячие звезды испускают видимый свет.

• Фотон можно рассматривать как электромагнитную волну, которая мгновенно концентрируется в единственной точке, как только поглощается материей. Его также можно рассматривать как точечную частицу, чье положение во время обнаружения определяется волновой функцией.

• Невозможно определить, в какой именно точке состоится поглощение фотона: можно определить лишь вероятность поглощения в каждой точке. Природа предстает системой, фундаментально чуждой определениям, которую приводят в движение случайные явления.

• В обычном масштабе существует столько наложенных друг на друга фотонов, что точки касания материи возникают везде, где только возможно: число поглощенных фотонов в каждой точке напрямую связано с вероятностью касания, которую можно точно рассчитать. Взаимодействие света и материи опять становится предсказуемым: мы возвращаемся к детерминистским законам классической физики.