Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

– Недостаточно замечательный, – сказал Ледерман. – Если бы он был на самом деле замечательным – в прямом смысле этого слова, – то мы бы обнаружили J/psi . Мне следовало бы быть умнее и воспользоваться мелкомодульными детекторами.

И даже когда я напомнил ему, что он использовал плотные материалы, с которыми нельзя применять детекторы такого типа, Ледерман продолжал упрямо качать головой:

– Мне все равно следовало бы быть умнее, отказаться от плотных материалов и воспользоваться более тонкими.

– Однако, – возразил я, – это означало бы изменить научную цель эксперимента и его физическую структуру по весьма спорным причинам.

Тем не менее никакими доводами мне не удавалось переубедить Ледермана.

– Если бы я был умнее, – продолжал он, – я бы начал эксперимент с самого начала. Но я не был умен. Я был глуп 148.

Почему же не только Ледерман, но и другие ученые проявляют такое самоуничижение по отношению к собственному труду и отказываются признавать в нем наличие истинного мастерства, не давая себе естественного для мастера права на ошибку? Их отношение есть некая давно утвердившаяся в науке традиция, определяющая, что есть «правильно» и что «неправильно». В соответствии с этой традицией любые неудачи относятся на счет плохого планирования эксперимента и собственной недальновидности ученого, а риски и неопределенность, естественно присущие исследовательской работе, совершенно не принимаются во внимание. Подобное отношение формирует в исследователях чрезмерно требовательный подход к своему труду.

Рис. 21.Постепенное проявление интерференционной картины при рассеянии одиночных электронов на двух щелях.

Мы решили исследовать феномен, который невозможно, абсолютноневозможно объяснить каким-либо классическим способом и который в то же время является самой сутью квантовой механики. На самом деле он составляет единственнуютайну.

Ричард Фейнман

«Я видела его при изучении курса оптики в Эдинбургском университете, – писала мне одна дама-астроном в ответах на мою анкету, опубликованную в Physics World . Речь шла о „двухщелевом“ эксперименте с электронами. – Преподаватель не сообщил нам, что должно было произойти, и впечатление было грандиозным. Я уже не помню деталей эксперимента, помню только, как точки сгруппировались в интерференционную картину. Увиденное завораживало примерно так же, как завораживает шедевр живописи или гениальная скульптура. Стать свидетелем эксперимента с двумя щелями – все равно что впервые в жизни наблюдать полное солнечное затмение: пробирает какая-то первобытная дрожь, все внутри сжимается от ужаса и восторга, и думаешь: „ Господи, а ведь эта корпускулярно-волновая штука на самом деле существует!“ Это подрывает самое основание нашего представления о мире».

Рис. 22.Три двухщелевых эксперимента: отсутствие интерференции при рассеянии потока отдельных объектов (пули), интерференция протяженных объектов (водяные волны) и интерференция объектов, которым следовало бы быть отдельными (электроны)

В своих «Лекциях по физике» американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что «вещи предельно малого масштаба ведут себя совершенно не так, как то, к чему вы привыкли». Тем не менее, как прекрасно понимал Фейнман, даже самому знающему физику легко проигнорировать сложности квантовой механики и, несмотря на глубокое понимание предмета, представить, что электроны, протоны, нейтроны и другие частицы «там, внизу» подобны телам «здесь, наверху» – то есть отдельным твердым телам, которые проходят от точки А к точке В по совершенно определенному пути, и что, если мы по какой-то причине теряем их на пути, они все равно никуда не исчезают и пребывают в определенный момент времени в определенном месте. Впрочем, можно поставить эксперимент, демонстрирующий, что в квантовом мире все происходит совсем иначе. Это принципиальным образом противоречит предположению, которое с давних времен составляет основу научного восприятия мира: мы так или иначе можем вообразить фундаментальные вещи. Наиболее зримой и впечатляющей демонстрацией, подтверждающей, что наша убежденность в силе человеческого воображения есть заблуждение и что жизнь квантового мира невозможно вообразить, является вариант эксперимента с двумя щелями, проведенного Томасом Юнгом, но на этот раз с использованием не света, а элементарных частиц – электронов. Из-за технических сложностей, связанных с подготовкой данного эксперимента, и из-за того, что он проходит в несколько этапов, он – единственный из десяти самых красивых экспериментов – не связан с именем определенного ученого. О нем просто говорят как о двухщелевом эксперименте или об эксперименте с квантовой интерференцией. Судя по моему опроснику, он намного опередил по популярности другие эксперименты. Разумеется, мой опрос нельзя назвать строго научным, однако вряд ли можно усомниться в том, что благодаря своей простоте, убедительности и впечатляющему характеру описываемый эксперимент займет одно из первых мест в любом списке самых красивых научных экспериментов.

В своем лекционном курсе и в других книгах Фейнман элегантно описал странную природу поведения квантов, сравнивая три «двухщелевых» эксперимента: один – с использованием пуль (частиц), второй – с использованием воды (волн) и третий – с использованием электронов (того и другого и ни того, ни другого) – чтобы в каждом случае продемонстрировать сходство и различие «путем сравнений и противо-поставлений» 149.

Вначале, говорит Фейнман, представьте себе эксперимент, в котором пулемет ведет беспорядочную стрельбу по бронированной стене, в которой проделаны два маленьких отверстия и за которой стоит мишень. У каждого отверстия имеется затвор, который может его полностью закрывать. Величина каждого отверстия такова, что в него только-только может пролететь пуля и затем попасть в мишень. Все пули за редким исключением попадают в мишень в одних и тех же двух местах. Небольшое количество пуль рикошетирует от краев отверстий и отлетает в сторону под тем или иным углом так, что мы не можем точно знать, куда попадет та или иная из них. Затем можно подсчитать число пуль, попавших в определенное место мишени.