Книга шифров. Тайная история шифров и их расшифровки - Сингх Саймон - Страница 85

В том эксперименте, как показано на рисунке 71 (а), Юнг освещал светом перегородку, в которой были две узкие вертикальные щели. На экране, расположенном на некотором расстоянии позади щелей, Юнг ожидал увидеть две светлые полоски — проекции щелей. Вместо этого он заметил, что свет от обеих щелей расходился веером, создавая на экране рисунок из нескольких светлых и темных полос. Такой рисунок в виде полос на экране озадачил его, но теперь он был уверен, что вполне смог бы дать ему объяснение, исходя из того, что он увидел на пруду для уток.

Юнг начал с предположения, что свет представляет собой волну. Но если свет, выходящий из двух щелей, ведет себя как волна, тогда эти волны ведут себя почти так же, как и волновые следы позади обеих уток. Более того, причиной появления светлых и темных полос на экране было то же самое взаимодействие, которое приводило к образованию высоких волн, глубоких впадин между волнами и участков со спокойной гладью воды. Юнг представил себе точки на экране, где встретились пик волны и впадина между волнами, что привело к их взаимному уничтожению и образованию темной полосы, и точки на экране, где встретились две волны (или две впадины), что вызвало их усиление и образование светлой полосы, как показано на рисунке 71 (b). Утки позволили Юнгу лучше понять природу света, в результате чего он опубликовал «Волновую теорию света» — нестареющий классический труд по физике.

_{Рис. 71 Эксперимент Юнга со щелями (вид сверху). На рисунке (а) видны световые волны, расходящиеся веером из двух щелей в перегородке, которые взаимодействуют между собой и образуют на экране рисунок в виде полос. На рисунке (b) показывается, как взаимодействуют между собой отдельные волны. Если на экране встречаются впадина между волнами и волна, то в результате образуется темная полоса. Если на экране встречаются две впадины между волнами (или две волны), то в результате образуется светлая полоса.}

Сейчас нам известно, что свет действительно ведет себя как волна, но мы также знаем, что он ведет себя и как частица. То, как мы воспринимаем свет — в качестве волны или же частицы, — зависит от конкретной ситуации, и такая двойственность в поведении света называется корпускулярно-волновым дуализмом. Мы не будем далее обсуждать этот дуализм, просто укажем, что в современной физике световой пучок считается состоящим из бесчисленного множества отдельных частиц, называемых фотонами, которые и проявляют волновые свойства. При таком подходе мы можем трактовать эксперимент Юнга, как вылетающие из щели, а затем взаимодействующие с обратной стороны перегородки фотоны.

Вроде бы ничего особенно странного в эксперименте Юнга нет. Однако современная технология позволяет физикам повторить эксперимент Юнга, используя для этого нить накаливания, которая настолько тусклая, что испускает одиночные световые фотоны с частотой, скажем, раз в минуту, и каждый фотон в одиночку движется к перегородке. Время от времени фотон пролетает через одну из двух щелей и попадает на экран. Хотя наши глаза недостаточно чувствительны, чтобы видеть отдельные фотоны, за ними можно наблюдать с помощью специального датчика, и по прошествии нескольких часов мы сможем получить полную картину попадания фотонов на экран. Если в любой момент времени через щели пролетает только один фотон, то рассчитывать, что мы увидим полосы, которые наблюдал Юнг, мы не можем, потому что они образуются, похоже, только в том случае, когда два фотона одновременно пролетят через разные щели и затем провзаимодействуют друг с другом. Вместо них мы могли бы ожидать появления только двух светлых полосок — проекций щелей в перегородке. Однако по какой-то непонятной причине даже при одиночных фотонах на экране по-прежнему образуется точно такой же рисунок из светлых и темных полос, как если бы фотоны взаимодействовали друг с другом.

Этот поразительный результат противоречит здравому смыслу. С точки зрения законов классической физики, то есть таких законов, которые были созданы для описания того, как ведут себя обычные предметы, объяснить это явление невозможно. Классическая физика может объяснить орбиты планет или траекторию пушечного ядра, но совершенно не способна дать описание микромира, например, траектории фотона. Для объяснения таких фотонных процессов физики прибегают к квантовой теории, объясняющей поведение объектов на микроскопическом уровне. Однако даже теоретики квантовой физики не могут прийти к согласию относительно объяснения результата этого эксперимента. Они раскололись на два лагеря, каждый из которых интерпретирует результат по-своему.

Первым лагерем постулируется концепция, известная как суперпозиция. Сторонники суперпозиции начинают с того, что заявляют, что доподлинно нам известны о фотоне только две вещи: он вылетает из нити накаливания и он попадает на экран. Все остальное — полнейшая загадка, в том числе, полетит ли фотон через левую или через правую щель. Так как точный путь фотона неизвестен, сторонники суперпозиции считают, что фотон каким-то образом пролетает одновременно через обе щели, что позволяет ему затем проинтерферировать самому с собой и создать рисунок в виде полос, который и наблюдается на экране. Но разве способен одиночный фотон пролететь через обе щели?

Аргументация сторонников суперпозиции на этот счет следующая. Если мы не знаем, как ведет себя частица, то значит, могут одновременно реализовываться все вероятности. В случае фотона нам не известно, пролетит ли он через левую или же через правую щель, поэтому мы предполагаем, что он пролетает через обе щели одновременно. Каждая вероятность называется состоянием, а поскольку в данном случае с фотоном реализуются обе вероятности, то говорят, что он находится в суперпозиции состояний. Мы знаем, что один фотон испускается нитью накаливания, и мы знаем, что один фотон попадает на экран за перегородкой, но между этими событиями он каким-то образом разделяется на два «фотона-призрака», которые пролетают через обе щели. Суперпозиция может звучать и глупо, но она хотя бы дает объяснение появлению рисунка в виде полос, получающегося в эксперименте Юнга с отдельными фотонами. Сравните, классическое представление, состоящее в том, что фотон должен пролететь через одну из двух щелей — мы просто не знаем, через какую именно, — кажется более здравым, чем квантовое, но, к сожалению, оно не способно объяснить получающийся результат.

Эрвин Шредингер, получивший Нобелевскую премию по физике в 1933 году, придумал мысленный эксперимент, известный под названием «кошка Шредингера», который часто используется для объяснения концепции суперпозиции. Представьте себе кошку, находящуюся в ящике. Для этой кошки существуют два возможных состояния: мертвая или живая. Вначале мы достоверно знаем, что кошка находится в одном определенном состоянии, поскольку можем видеть, что она живая. В этот момент кошка не находится в суперпозиции состояний. Затем положим в ящик рядом с кошкой ампулу с цианидом и закроем крышку. Теперь для нас наступил период неведения, потому что не можем видеть кошку или определить ее состояние. Жива ли она, или же наступила на ампулу с цианидом и умерла? В обычной жизни мы бы сказали, что кошка либо мертва, либо жива, — мы только не знаем, что именно. Квантовая теория, однако, говорит, что кошка находится в суперпозиции из двух состояний: она и мертва, и жива, то есть она находится во всех возможных состояниях. Суперпозиция возникает только тогда, когда объект пропадает у нас из виду и является способом описания объекта в период неопределенности. Когда, в конечном итоге, мы откроем ящик, мы сможем увидеть, жива ли кошка или мертва. Это действие — мы смотрим на кошку — вынуждает ее перейти в одно из определенных состояний, и тут же суперпозиция исчезает.

Для тех читателей, кому не нравится суперпозиция, есть второй квантовый лагерь, выступающий за иную интерпретацию эксперимента Юнга. К сожалению, эта альтернативная точка зрения столь же причудлива. В многомировой интерпретации объявляется, что после того, как фотон вылетел из нити накаливания, у него есть две возможности: он пролетит либо через левую, либо через правую щель — в этот момент мир разделяется на два мира, и в одном мире фотон пролетает через левую щель, а в другом мире фотон пролетает через правую щель. Оба эти мира как-то взаимодействуют друг с другом, чем и объясняется появление рисунка в виде полос. Сторонники многомировой интерпретации считают, что всякий раз, как у объекта появляется возможность перейти в одно из нескольких вероятных состояний, мир разделяется на множество миров с тем, чтобы каждая вероятность реализовывалась в отличающемся мире. Такое множественное число миров именуется мультимиром.