Двухщелевой эксперимент

Двухщелевой эксперимент

Давайте теперь рассмотрим двухщелевой эксперимент, который наиболее ясно показывает природу всех квантовых объектов. Представьте себе обычную квадратную комнату, посреди которой установлена перегородка. Электроны из электронной пушки будут проходить через одно или два отверстия в перегородке.

Электронная пушка не похожа на пушки, которые мы видим в обычной реальности. По существу, это раскаленная проволока, вроде той, что можно видеть в электрической лампочке. Эта раскаленная проволока действует как пушка в том смысле, что она выбрасывает электроны. Мы направляем их на экран, покрытый счетчиками электронов. Эти счетчики чувствительны к электрическому заряду. Счетчики, располагающиеся по всему экрану, издают щелчки и регистрируют, или считают, сколько электронов попадает в данную точку на экране.

Оказывается, что то, сколько щелей открыто в перегородке, влияет на конечное появление электронов на экране. Для начала откроем в перегородке только одну щель.

Представьте себе, что вы пропускаете электроны через перегородку с одной щелью. Будем считать, что другая щель закрыта (см. рис. 14.1). Кроме того, для простоты представим себе, что я – это электрон. Мне становится по-настоящему жарко там, где находится пушка (раскаленная проволока), и мне не терпится быть выброшенным через щель в перегородке. Пушка возбуждает меня, и скоро у меня будет достаточно энергии, чтобы пролететь прямо через щель в перегородке в центре комнаты и оказаться на экране.

Помните, что есть только одна дверь, через которую я могу пройти. Другая дверь закрыта. Это очень ограниченный мир, но он мог бы быть забавным, и потому я собираюсь посмотреть, что случится. Я пролетаю через комнату и попадаю в экран на стене. Я попадаю в определенную точку экрана, и это отмечает счетчик, который издает щелчок.

Рис. 14.1. Комната с перегородкой слева и экраном справа

Чтобы продолжать эксперимент, вы можете нагревать ту пушку и посылать еще некоторое количество моих друзей-электронов через перегородку. Какой результат вы увидите по другую сторону перегородки, когда закончите это делать? Вы обнаружите, что мы, электроны, ведем себя более или менее подобно горсти брошенных камешков. Иными словами, мои друзья и я проходим через щель и, по большей части, попадаем в центр экрана. Конечно, бывают времена, когда некоторые из нас отклоняются от центра, иногда мы попадаем на экран еще дальше от центра, а в редких случаях один из нас попадает в самый край экрана (рис. 14.2).

Однако, в большинстве случаев мы попадаем в центр экрана, прямо напротив щели, через которую мы проходим. В результате, паттерн нашего рассеяния создает кривую вероятности, которая выглядит как вертикальный колокол с пиком в центре.

Рис. 14.2. Кривая вероятности в случае, когда открыта одна щель

Когда физики видели электроны, проходящие через одиночную щель и создающие эту кривую вероятности, они были счастливы. Они говорили: «Отлично, электроны действуют как обычные частицы. Они подобны камешкам или капелькам аэрозольной краски. Если вы распыляете краску через щель, то получаете больше краски в середине экрана, куда, согласно нашим ожиданиям, попадает большинство капель краски. По краям экрана они видели меньшее число электронов, или меньше «краски». Когда открыта одна щель, нет никаких пустых мест – только различные степени рассеяния.

Физики говорят: «Мы ожидали получить именно такие результаты. Теперь давайте посмотрим, что происходит, если мы будем более щедрыми и откроем для электронов вторую щель в перегородке». Представьте себе ту же самую комнату, но с двумя открытыми щелями в перегородке. На этот раз, пересекая ту неизведанную область между открытой щелью в перегородке и экраном, мы с друзьями попадаем на экран неожиданным образом. Мы ведем себя не так, как если бы мы были двумя потоками аэрозольной краски, проходящими через две щели и образующими две колоколообразные кривые.

Нет. Вместо этого в определенных точках экрана имеются пустые места, то есть туда почти не попадают электроны. Наша колоколообразная кривая вероятности превратилась в правильный волнистый узор, который вы видите на правой стороне приведенного ниже рисунка. Что произошло?

Рис. 14.3. Кривая вероятности для случая, когда открыты две щели, показывает, что электроны ведут себя как волны, интерферируя друг с другом

Новая кривая совсем другая. По-прежнему в центре имеется больше отметок, чем в любой другой точке. Однако в других точках, куда попадали бы электроны, если бы была открыта только одна щель, нет почти ничего. Имеется много отметок электронов на пиках кривой, но рядом с этими отметками, где на рисунке показаны знаки (—), электронов гораздо меньше. Как это могло произойти? Почему, когда имеются две щели, которые дают мне и моим друзьям-электронам две возможности, мы, доходя до экрана, иногда вообще никуда не попадаем?

Начиная с 1920-х гг. ученые пытались разгадать этот паттерн да/нет, и на этот счет имеется много идей. Один из ответов, которые дают на этот вопрос слушатели на моих семинарах, это: «Выбор сводит электроны с ума». Еще один ответ: «Электроны хотят держаться вместе потому, что им становится одиноко». Это замечательные теории, но они, равно как и другие аналогичные идеи, представляют собой объяснения НОР, которые трудно проверить. Мы не можем проверить, делают ли электроны выбор или им нравится жаться друг к другу, не общаясь с ними, а этого пока никому не удалось сделать воспроизводимым образом. Это не означает, что электронам не хочется держаться вместе или что две альтернативы не делают их более безумными, чем одна. Любая из этих возможностей может быть сколь угодно близкой к истине. Мы просто не можем проверить эти идеи.

Квантовые объекты, подобные электронам, живут в своем собственном мире, который обычно не доступен нам в общепринятой реальности. Если мы пытаемся прослеживать электроны, то настолько возмущаем их, что получаемая нами картина более не отражает то, что они делали бы, если бы мы им не мешали. Из-за нашего наблюдения невозможно дать ответ на вопрос ОР о том, что в точности происходит с электроном. Сама энергия, необходимая для наблюдения электронов, – луч света, который мы используем, чтобы их видеть, – отбрасывает их в неопределенные области Вселенной!

Поэтому мы не можем точно знать с точки зрения времени и пространства, что происходит между электронной пушкой и экраном. Нам известно лишь то, откуда электроны двигались, и то, что они, в конце концов, вызывали щелчки счетчиков на экране. Нам известен только результат, то есть поведение электронов на экране. Мы знаем, что это поведение зависит от того, открываем ли мы одну или две щели. Результаты показывают, что по какой-то неизвестной причине электроны ведут себя так, как если бы они были волнами, когда открыты две щели, но когда открыта только одна щель, они ведут себя как частицы.