Квантовые чудеса. Часть 1⁠⁠

Итак, все это время мы пытались найти приемлемую методику изложения безумных тем связанных с квантовыми парадоксами. Мы написали несколько вариантов черновиков, но все они были выброшены на мороз. Потому что когда речь заходит об объяснении квантовых приколов, то мы и сами путаемся и признаем, что многое не понимаем (да и вообще мало кто понимает в этом деле, включая крутых мировых ученых). Увы, квантовый мир настолько чужд обывательскому мировоззрению, что совсем не стыдно признаться в своем непонимании и пытаться понемножку вместе разобраться хотя бы в основах.

И хотя мы, как обычно, постараемся рассказывать предельно доступно с картинками из гугла, неискушенному читателю потребуется некоторая начальная подготовка, поэтому рекомендуем просмотреть наши предыдущие темы, особенно про кванты и материю.

Специально для гуманитариев и прочих интересующихся – квантовые парадоксы. Часть 1.

В этой теме мы поговорим о самой обыденной загадке квантового мира – корпускулярно-волновом дуализме. Когда мы говорим "самая обыденная" мы имеем в виду, что физикам она уже приелась настолько, что как будто бы и не кажется загадкой. Но это все потому, что остальные квантовые парадоксы обывательскому уму принять еще сложнее.

А дело было так. В старые добрые времена где-то в середине 17-го века Ньютон и Гюйгенс разошлись во мнении, что есть свет: Ньютон без зазрения совести заявил, что свет это поток частиц, а старина Гюйгенс пытался доказать, что свет это волна. Но Ньютон был авторитетнее, поэтому его заявление о природе света было принято как истинное, а над Гюйгенсом посмеялись. И двести лет свет считали потоком каких-то неведомых частиц, природу которых однажды надеялись открыть.

В начале 19 века один востоковед по имени Томас Юнг баловался с оптическими приборами – в итоге он взял и провел эксперимент, который сейчас называют опытом Юнга, и каждый физик считает этот опыт священным.

Томас Юнг всего лишь направил луч (одного цвета, чтобы частота была примерно одинакова) света через две прорези в пластине, а позади поставил еще одну пластину-экран. И показал результат своим коллегам. Если бы свет был потоком частиц, то мы бы увидели на заднем фоне две светлые полосы.

Но, к несчастью всего научного мира, на экране-пластине появилась череда темных и светлых полос. Обычное явление, которое называется интерференцией – наложение двух (и более волн) друг на друга.

Кстати, именно благодаря интерференции мы наблюдаем радужные переливы на пятне масла или на мыльном пузыре.

Иначе говоря, Томас Юнг экспериментально доказал, что свет это волны. Ученый мир долго не хотел верить Юнгу, и одно время его так закритиковали, что тот даже отказался от своих идей волновой теории. Но уверенность в своей правоте все-таки победила, и ученые стали считать свет волной. Правда, волной чего - это было загадкой.

Вот, на рисунке старый добрый опыт Юнга.

Надо сказать, волновая природа света не сильно повлияла на классическую физику. Ученые переписали формулы и стали полагать, что скоро весь мир падет к их ногам под единой универсальной формулой всего.

Но вы уже догадались, что Эйнштейн как всегда все испортил. Беда подкралась с другой стороны – сначала ученые заморочились расчетом энергии тепловых волн и открыли понятие квантов (обязательно почитайте об этом нашу соответствующую тему "Что такое кванты"). А затем с помощью этих самых квантов Эйнштейн нанес удар по физике, объяснив явление фотоэффекта.

Вкратце: фотоэффект (одно из следствий которого является засвечивание пленки) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически это выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя – фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии ("стреляем" синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись вот так вот запросто отказываться от волновой природы света, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей загадкой: так все-таки свет это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота – и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет это просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный – маленькая частота, фиолетовый – большая частота.

Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома – как такая "штука" влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Если только фотон это частица, сопоставимая по размерам с атомом. Фотон одновременно и большой и маленький?

К тому же фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет это все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам - если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет это одновременно и волна и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи: наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны - тень прямоугольная. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет - это волна, то объяснить отражение в окне просто – подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет - это поток частиц, то объяснить отражение так просто не получится. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все — отражаются. А в суровой реальности часть фотонов пролетает через стекло, и мы видим соседний дом и тут же наблюдаем свое отражение.

И единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон – столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики – совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину). Это идеальный генератор случайных чисел в отличие от подбрасываемой монетки.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что "Бог не играет в кости". Но современная наука все более подтверждает: таки играет.

Так или иначе, но как-то раз ученые решили поставить жирную точку в споре "волна или частица" и воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем "лазеры"), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.

И внезапно – одиночный квант света (фотон) показал интерференционную картинку, то есть частица пролетала через обе щели одновременно, фотон интерферировал сам с собой (если говорить ученым языком). Уточним технический момент – на самом деле интерференционную картинку показал не один фотон, а серия выстрелов по одной частице с интервалами в 10 секунд – со временем на экране проявились юнговские полосы, знакомые любому троечнику с 1801-го года.

С точки зрения волны это логично – волна проходит через щели, и теперь две новые волны расходятся концентрическими кругами, накладываясь друг на друга.

Но с корпускулярной точки зрения получается, что фотон находится в двух местах одновременно, когда проходит через щели, а после прохождения смешивается сам с собой. Это вообще нормально, а?

Оказалось, что нормально. Более того раз фотон находится сразу в двух щелях, значит он одновременно находится везде и до щелей и после пролета через них. И вообще с точки зрения квантовой физики выпущенный фотон между стартом и финишем находится одновременно "везде и сразу". Такое нахождение частицы "сразу везде" физики называют суперпозицией – страшное слово, которое раньше было математическим баловством, теперь стало физической реальностью.

Некий Э. Шредингер, известный противник квантовой физики, к этому времени нарыл где-то формулу, которая описывала волновые свойства материи, типа воды. И немного над ней поколдовав, к своему же ужасу вывел так называемую волновую функцию. Эта функция показывала вероятность нахождения фотона в определенном месте. Заметьте, именно вероятность, а не точное местонахождение. И эта вероятность зависела от квадрата высоты гребня квантовой волны в заданном месте (если кому-то интересны детали).

Вопросам измерения местонахождения частиц мы посвятим отдельную главу.

Дальнейшие открытия показали, что дела с дуализмом еще хуже и загадочнее.

В 1924 году некий Луи де Бройль взял и заявил, что корпускулярно-волновые свойства света это верхушка айсберга. А таким непонятным свойством обладают все элементарные частицы.

То есть частицей и волной одновременно являются не только частицы электромагнитного поля (фотоны), но и вещественные частицы типа электронов, протонов и т.п. Вся материя вокруг нас на микроскопическом уровне является волнами (и частицами одновременно).

И спустя пару лет это даже подтвердили экспериментально – американцы гоняли электроны в электронно-лучевых трубках (которые известны нынешним старпёрам под названием "кинескоп") – так вот наблюдения, связанные с отражением электронов, подтвердили, что электрон это тоже волна (для простоты понимания можно сказать, что на пути электрона поставили пластинку с двумя щелями и лицезрели интерференцию электрона как она есть).

К настоящему времени в опытах обнаружено, что и атомы имеют волновые свойства и даже некоторые специальные виды молекул (так называемые "фуллерены") проявляют себя как волна.

Пытливый ум читателя, который еще не ошалел от нашего повествования, спросит: если материя это волна, то почему, например, летящий мячик не размазан в пространстве в виде волны? Почему реактивный самолет никак не походит на волну, а очень похож на реактивный самолет?

Де Бройль, чертяка, и тут все объяснил: таки-да, летящий мячик или "боинг" это тоже волна, но длина этой волны тем меньше, чем больше импульс. Импульс это масса, умноженная на скорость. То есть, чем больше масса материи, тем меньше длина ее волны. Длина волны мяча, летящего со скоростью 150 км/час будет приблизительна равна 0,0000000000000000000000000000000001 метра. Поэтому мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.

Электрон же весьма легкая частица и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько "волновое". Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается электрон, оно имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов, а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за существования внутри ядра постоянного обмена частицами сильного взаимодействия (читайте тему Материя II). Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной доступной частицей с массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают.

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, вращающийся вокруг атома это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра – как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и чтобы разместиться вокруг ядра атома такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено "размещением" длины волны (и в то же время частицы) электрона. Это очень грубое и некорректное объяснение – просим нас простить – на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель – хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым все это интересно.

Давайте еще раз проясним!

Внимание! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь (одновременно) имеет свойства волны и свойства частиц. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам. Это РАЗНЫЕ вещи. Привычные нам волны представляют собой распространение возмущений в пространстве заполненным каким-либо веществом.

Фотоны, электроны и прочие экземпляры микромира при движении в пространстве можно описать волновыми уравнениями, они по поведению лишь ПОХОЖИ на волну, но ни в коем случае волной не являются. Аналогично и с корпускулярной строной материи: поведение частицы похоже на полет маленьких точечных шариков, но это ни разу не шарики. Мы пользуемся аналогиями лишь для комфорта восприятия.

Это нужно понять и принять, иначе все наши размышления будут в конечном счете приводить к поиску аналогов в макромире и тем самым пониманию квантовой физики придет конец, и начнется фричество или шарлатанская философия навроде квантовой магии и материальности мыслей.

Остальные ужасающие выводы и следствия из модернизированного опыта Юнга мы рассмотрим позже в следующей части – неопределенность Гейзенберга, кошка Шредингера, многомировая интерпретация ждут терпеливого и вдумчивого читателя, который еще не раз перечитает наши статьи и покопается в интернете в поисках дополнительной информации.

Всем спасибо за внимание. Приятной всем бессонницы или познавательных кошмаров!

NB: Прилежно напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.

Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...