4. Когда понятие реальности становится все более смутным

Спонтанное излучение

Случайное событие

Вернемся в последний раз к спонтанному излучению фотона возбужденным атомом, уточнив некоторые наблюдения, которые мы оставили в стороне. Предположим, что мы придаем атому необходимую энергию, чтобы электрон перешел на более высокую энергетическую орбиталь. Сколько времени придется ждать, пока электрон снова спустится на более низкую орбиталь, выпустив фотон?

Опыт показывает, что процесс снятия возбуждения (излучение фотона) является произвольным: невозможно предсказать момент, когда мы будем наблюдать эмиссию фотона. Можно только сказать, что чем больше мы ждем, тем больше шансов увидеть, как электрон вернется на первую орбиталь.

Чувствуется связь с произвольным обнаружением фотона в случае интерференции Юнга: в этом опыте нельзя предсказать, где именно фотон коснется стены, и можно рассуждать лишь в терминах вероятности. В случае спонтанного излучения произвольным становится не место, а время: момент снятия возбуждения не может быть предсказан, так же как и место касания фотона предсказать нельзя.

Объяснение процесса излучения

Что может оправдать подобный феномен случайности? Чтобы его понять, нужно определить, что заставляет электрон вернуться на первоначальную орбиталь. Если бы он вращался вокруг ядра, он эмитировал бы излучения естественным способом, но мы только что убедились, что понятие орбиты является ложным. Если электрон не вращается, у него нет никаких других причин излучать фотон и менять орбиталь…

Наблюдение показывает, что электрон обладает «кинетическим моментом», то есть он по своей сущности обладает характеристикой, связанной с вращением (глава 7). Как если бы «облако», которое образует электрон, вращалось вокруг ядра.

В результате электромагнитная сила стремится заставить электрон упасть на ядро, как в классической физике. Большая разница в том, что он не может следовать по произвольной орбитали и может падать только «скачками».

Что же происходит на практике? Как только электрон оказывается на более высокой орбитали, он начинает излучать волну благодаря влиянию электромагнитной силы. Но волна описывается волновой функцией, что означает, что существует лишь некая вероятность обнаружить фотон.

В этом случае существуют две точки зрения.

• Предположим, что мы пытаемся обнаружить фотон: у нас один шанс из десяти, что мы увидим фотон по истечении секунды. Если он обнаружен, значит, электрон вернулся на отправную орбиталь. Один раз из десяти мы обнаружим совокупность {электрон на нижней орбитали + выпущенный фотон}и девять раз из десяти обнаружим совокупность {электрон на верхней орбитали + отсутствие фотона}.

• Теперь порассуждаем о частицах не как корпускулах, а как волнах (= мы не стремимся ничего обнаружить). Совокупность {электрон + выпущенный фотон} образует одну «систему вероятности». Бóльшая часть этой волны (девять десятых) соответствует электрону на верхней орбитали, но маленькая часть (одна десятая) соответствует совокупности {электрон на нижней орбитали + выпущенный фотон}.

Таким образом, в качестве волны электрон находится одновременно на верхней и нижней орбитали, но не в равной степени. Плюс к этому, мы видим, что фотон и электрон не могут быть отделены друг от друга как независимые частицы: только пара {фотон + электрон} имеет смысл в качестве единой волны. Только в момент обнаружения фотон и электрон отделяются друг от друга, и каждый начинает жить своей жизнью…

Благодаря электромагнитной силе электрон постоянно излучает «волну вероятности присутствия (или обнаружения) фотона». Это значит, что вероятность обнаружить фотон все больше по мере того, как идет время: именно это мы наблюдаем.

ЛАЗЕРЫ

Вместо того чтобы позволить электрону спонтанно вернуться к нижней орбитали, можно изменить процесс, дестабилизировав электрон с помощью электромагнитной волны. Если разница энергии между отправной орбиталью и орбиталью прибытия – это Е, предположим, что фотон, который собираются послать к атому, должен обладать именно энергией Е: итак, мы производим «вынужденное излучение» (см. рис. ниже).

В конечном счете фотон энергии Е эмитирован атомом благодаря снятию возбуждения и присоединился к падающему фотону энергии Е, который позволил реализовать эту вынужденную эмиссию: теперь есть два фотона одинаковой энергии, то есть одной длины волны, которые распространяются в одном направлении. Эти фотоны могут сами снять возбуждение других атомов, и общее число фотонов энергии Е тогда увеличивается экспоненциально.

Таким образом, электромагнитная волна большой амплитуды быстро развивается, являясь наложением всех фотонов и обладая определенной длиной волны. Остается только поместить ее в зеркальную полость, чья длина от одного края до другого и обратно является многократным отражением длины волны: излучение становится больше с каждым отражением так же, как волны некоторой длины усиливаются в духовых инструментах (➙ рис. 11.3, глава о звуке).

В конце концов свет, выходящий из лазера, созданный таким образом, имеет следующие свойства:

• Это «монохромная волна», потому что у нее определенная длина (= всего один цвет). Он позволяет, к примеру, проигрывать компакт-диски: он состоит из чередующихся «бугров» и «впадин», которые таким образом формируют бинарный код. Разница высоты между бугром и углублением составляет четверть длины волны: когда лазерный луч отражается на бугре, полученная волна усиливается, как на рис. 11.3. Когда он отражается в углублении, полученная волна, наоборот, исчезает, как на рис. 11.2. В конечном итоге полученный свет либо слишком слабый, либо слишком сильный, в зависимости от того, отражается ли луч от бугра или от впадины: это формирует бинарный код, который легко можно конвертировать в электрическую форму.

• Лазерный луч очень четко направлен, поскольку все фотоны распространяются в одном направлении. Свет не рассеивается по всему пространству, что позволяет ему распространяться на большие дистанции. Например, это позволило с точностью измерить расстояние от Земли до Луны благодаря измерению длительности пути туда и обратно лазерного пучка, отправленного нашим спутником (для этого космонавты установили зеркало на поверхности Луны, чтобы свет мог отразиться).

• Лазерный луч очень сильный благодаря процессу усиления внутри полости. Между тем, когда свет поглощается веществом, он отдает ему свою энергию в тепловой форме (заряды приведены в движение электромагнитной волной, что приводит к вибрации атомов). Таким образом, лазер используется для сварки или резки материалов, а также для лечения близорукости, «подрезая» роговицу глаза…

Много частиц, одна волна

В конечном итоге это явление открывает новый взгляд на природу: мы убеждаемся, что элементарные частицы сами составляют единое целое, единую волну до того момента, пока мы не попытаемся их обнаружить.

Проведем аналогию с деревьями в лесу: многие из них связаны корнями, которые связали их друг с другом. То есть каждое дерево нельзя считать независимым живым существом: с помощью этих связей весь лес является единым живым существом… В каком-то смысле деревья являются отдельными «корпускулами» в воздухе, но формируют единую «волну» на земле…

Когда волна превращается в точечную частицу?

Роль измерения

Мы сказали, что «электрон-волна» превращается в «электрон-корпускулу», когда его пытаются обнаружить (то же касается и фотона). Что означает это «обнаружение» на практике? Другими словами, какие конкретные физические процессы приводят к уничтожению волны и ее концентрации в точечную частицу?

Квантовая физика придерживается простого ответа: уничтожение волны происходит тогда, когда некий оператор измеряет физическую величину, свойственную частице (например, ее положение). Волна никогда не может быть визуализирована, поскольку всякое измерение (любое наблюдение) приведет к ее мгновенному исчезновению.

Речь идет об опытной констатации факта, но наше любопытство до конца не удовлетворено, и изначальный вопрос все еще стоит: в чем состоит особенность измерения, которая объяснила бы уничтожение волны?

Кот Шрёдингера

Чтобы лучше понять широту проблемы, возьмем пример со знаменитым «котом Шрёдингера». Представим, что мы поместили кота в закрытую непрозрачную коробку. Внутри мы также поместили радиоактивный источник: в любой момент тот имеет некоторую вероятность эмитировать частицу в виде спонтанного излучения атома. Разница в том, что эта излученная частица способна убить кота…

Как в случае со спонтанным излучением, совокупность {радиоактивный источник + излученная частица} подчиняется единой вероятности. Квантовая физика в данном случае оговаривает, что, поскольку никаких измерений не было, эта совокупность остается в форме волны.

Это значит, что вопрос, была ли частица излучена или нет, не имеет смысла: частица одновременно «излучена» и «не излучена». Можно только сказать, что чем дольше идет время, тем больше вероятность, что частица была излучена.

Если само понятие излученной или неизлученной частицы не имеет смысла, это значит, что понятие живого или мертвого кота также не имеет смысла! Частица одновременно излучена и не излучена, следовательно, кот одновременно и жив и мертв…

Если нам вздумается открыть коробку, мы увидим либо живого, либо мертвого кота, потому что в данном случае мы совершаем измерение (наблюдение), которое уничтожает волну. Чем больше мы ждем, прежде чем открыть коробку, тем больше вероятность, что частица была излучена, следовательно, больше вероятность, что кот будет мертв…

В данном примере у нас есть искушение сказать, что если мы обнаружим кота мертвым, значит, он был мертв еще до того, как открыли коробку. Квантовая физика начала ХХ в. утверждает, что это не так: кот был и жив и мертв одновременно…

Столь шокирующее заявление вызвало множество споров. Некоторые физики считают, что истина по определению непостижима, поскольку ее можно установить лишь измерениями. Идея о том, что кот одновременно и жив и мертв, не представляет никакой проблемы, поскольку она ускользает от всякого прямого наблюдения (мы можем обнаружить кота только живого или мертвого, поскольку наблюдение уничтожает волну). Все, чего физики требуют от теории, – соответствовать опыту, что вполне можно сказать о квантовой физике.

Однако этот мысленный эксперимент смутил многих физиков: сам кот наблюдает сцену изнутри, он знает, жив он или мертв, и, таким образом, осуществляет нечто вроде измерения. Квантовая физика времен Шрёдингера создает ощущение, что волну уничтожает Сознание, что по меньшей мере забавно.

На протяжении ХХ в. были разработаны разные теории для разрешения этой проблемы с измерением, то есть для того, чтобы уточнить, как и почему волна превращается в частицу. В 1970 г. среди прочих была выдвинута теория декогеренции, которая понравилась многим физикам элегантностью своего концепта. Начиная с 1996 года опыты начали подтверждать эту теорию, которая сегодня признана большинством научного сообщества.

Феномен декогеренции

Теория декогеренции утверждает, что нет необходимости вводить дополнительный постулат, связанный с измерением, чтобы объяснить, что волна исчезает и превращается в частицу: это взаимодействие с окружающей средой, которое мало-помалу неотвратимо стремится уничтожить волну. Измерение не представляет никакой особенности, объясняющей превращение в частицу: когда мы используем измерительный прибор, то лишь повышаем взаимодействие волны с окружающей средой. Переход волны в частицу, который кажется мгновенным, на самом деле постепенный, но осуществляется за очень короткий промежуток времени.

Чтобы понять, как волна может таким образом исчезнуть при контакте с окружающей средой, мы опять вспомним опыт с акустической волной, запертой в полости, подобной музыкальному инструменту (глава 12). Стенки создают внутри многократное отражение: полученная волна является результатом наложения всех этих волн. В зависимости от размера полости, фазы этих многочисленных волн в той или иной степени не совпадают друг с другом. В частности, в полостях определенных размеров волны оказываются в противофазе: они гасят друг друга. Из-за этого феномена мы пришли к заключению, что в полости могли существовать только волны определенной длины – те, чья длина соответствует λ=2α/n (где α – длина полости и n – общее число волн).

Подобное разрушение волны именно то, что нужно квантовой физике, чтобы объяснить переход от волны к частице. Когда частица-волна взаимодействует с окружающей средой, она подвергается многократным отражениям, которые приводят к фазовым смещениям между отраженными волнами. Разница с музыкальным инструментом в том, что длина полости не зафиксирована: окружающая среда подвержена сильному волнению. Так, все фазовые смещения представлены на уровне отраженных волн. Это значит, что они гасятся 2 к 2, у каждой волны есть противоположная ей по фазе. За короткое время взаимодействие с окружающей средой уничтожает излученную волну.

Между тем энергия изначальной волны должна сохраняться: на практике она оказывается сконцентрированной в единственной точке, вместо того чтобы распределиться в пространстве. Иными словами, частица-волна только что превратилась в частицу-корпускулу.

Эти отражения происходят также внутри систем, содержащих большое число элементарных частиц: простая пыль может содержать 10¹⁶ атомов, которые, в свою очередь, состоят из электронов и нуклонов, которые образуют столько же взаимодействующих волн. Так, чем больше такая система, тем быстрее волны гасят друг друга и тем сложнее наблюдать их волновую природу. Именно по этой причине на микроскопическом уровне вся материя кажется корпускулярной и подчиняющейся законам старой доброй классической физики.

Наконец, необходимо уточнить, что наблюдатель сам является частью окружающей среды и провоцирует декогеренцию: на самом деле, когда мы видим молекулярное скопление, это значит, что существует электромагнитное взаимодействие между зарядами этих молекул и теми, что находятся в глубине наших глаз. Таким образом, даже если это скопление находится в полном вакууме, остается взаимодействие с нашей собственной сенсорной системой. Это объясняет главное утверждение квантовой физики: простой факт наблюдения за частицей уничтожает волну и превращает ее в корпускулу. Теория декогеренции тем не менее указывает, что это наблюдение не является необходимым для уничтожения волны: инертная окружающая среда дает тот же эффект даже без наблюдателя и датчика.

Поэтому необязательно размышлять, обладает сознанием кот Шрёдингера или нет: речь идет о гигантском скоплении молекул, и любая радиоактивная частица, которая ее достигает, переходит от волны к корпускуле за долю секунды. Согласно теории декогеренции, кот всегда жив ИЛИ мертв, независимо от того, откроем мы коробку или нет, просто из-за своего макроскопического масштаба.

Эта теория также отличается от «традиционной» квантовой физики начала ХХ в. в том смысле, что она предсказывает постепенное, а не мгновенное разрушение волн. Однако это предсказание можно проверить, протестировав волновую природу частиц на очень коротком отрезке времени. Первые измерения были проделаны в 1996 г. Экспериментальное подтверждение вкупе с элегантностью теории (больше никаких мыслей о таинственном вмешательстве во время измерения!) объясняет одобрение большинства физиков. Следует, однако, отметить, что теория не объясняет второй великой тайны, связанной с измерением: почему частица-волна концентрируется в частицу-корпускулу в одном месте, а не в другом? Даже сегодня этот «выбор» выглядит абсолютно произвольным.