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

Сидя в поезде, оба ученых попытались как-то отвлечься от неприятных мыслей о предстоящем визите: бюрократическое противостояние вызывает у любого интеллектуала глубокое отвращение и чувство абсолютной беспомощности. Естественно, разговор зашел о физике, и Поцци рассказал Миссироли о своем интересе к работе с электронной бипризмой. Они начали обсуждать возможные совместные проекты. Так было положено начало плодотворному тридцатилетнему сотрудничеству. Миссироли интересовала возможность превращения результатов открытий в простой и легко объяснимый студентам учебный материал, пригодный для последующих публикаций. Миссироли и Поцци начали свои совместные эксперименты в 1971 году 154.

К тому времени Мерли перешел в Лабораторию химии и технологии материалов и электронных устройств ( LAMEL ), но продолжал сотрудничество с Поцци, Миссироли и другими исследователями из Лаборатории электронной микроскопии. Втроем они изготовили бипризму и установили ее на электронный микроскоп «Сименс». Как только Мерли узнал, что в Милане имеется усилитель изображения, способный регистрировать отдельные электроны, исследователи стали планировать эксперимент по обнаружению интерференции электронов, в ходе которого можно было бы пропускать по одному электрону через бипризму. Втроем они отправились в Милан, чтобы сделать съемку, прикрепив усилитель изображения к своему электронному микроскопу, и практически сразу же обнаружили интерференционную картину.

Итальянские исследователи, как и Йонссон, опубликовали описание своего эксперимента в American Journal of Physics в надежде, по их словам, что «эксперименты с интерференцией электронов станут более знакомыми для студентов» 155. Однако через некоторое время, при поддержке двух других ученых из LAMEL , они задумали более амбициозный проект: сделать небольшой фильм о своем эксперименте и распространить запись в местных учебных заведениях и библиотеках. Проект оказалось непросто воплотить в жизнь: он требовал немалых денежных вложений. Большую часть времени исследователи потратили на подготовку текста. Так как они были практиками, а не теоретиками, очень много усилий и интеллектуальной энергии уходило на точное описание всех подробностей хода эксперимента.

Результат получился весьма оригинальный. Следуя примеру Фейнмана и многих других, итальянские ученые воспользовались для объяснения эксперимента трехступенчатой аналогией, начав с интерференции поверхностных волн на воде (в природе, а затем – в волновом бассейне), после чего перешли к интерференции света с использованием бипризмы Френеля и в заключение описали собственную электронную бипризму. Все трое снялись в фильме, редактором которого был Мерли. Он же очень удачно подобрал фоновую музыку: объяснение классической части эксперимента (интерференцию волн на воде и света) сопровождали мелодии концерта Вивальди для флейты, а повествование о квантовой интерференции – современная атональная музыка. Кульминацией фильма стал эпизод, в котором было показано, как квантовая интерференционная картина медленно выстраивается из набора отдельных электронов. Результат был потрясающим, и фильм (его можно найти в Интернете) получил приз на Международном фестивале научного кино в Брюсселе в 1976 году 156. «Всякий раз фильм производит на меня грандиозное впечатление», – говорит Поцци, и, несомненно, подобное чувство испытывает не он один.

В 1989 году Акира Тономура, старший научный сотрудник исследовательской лаборатории компании «Хитачи» в Японии, с группой ассистентов провел подобный эксперимент с использованием еще более сложной и эффективной системы отслеживания электронов. Японские ученые тоже опубликовали статью с описанием результатов своей работы в American Journal of Physics 157и сняли фильм, демонстрирующий формирование интерференционной картины в результате постепенного накапливания отдельных электронов в реальном времени. Тономура показал свой фильм во время доклада в Королевском институте, видеозапись его доклада также имеется в Интернете 158.В какой-то момент своего выступления Тономура ускорил воспроизведение кинопленки, позволив хаотически разрозненным точкам материализоваться в сложную картину; нечто похожее бывает после заката, когда отдельные крохотные звезды на наших глазах постепенно складываются в картину Млечного пути, заставляя задуматься о существовании единой структуры Вселенной. Комментируя видеозапись, Тономура сказал:

«У нас нет выбора, и мы обязаны сделать довольно странный вывод: по отдельности электроны регистрируются целиком и последовательно, как частицы, однако все вместе они ведут себя как волна, в своем взаимодействии складываясь в интерференционную картину. Квантовая механика заставляет нас отказаться от представления об электронах как о корпускулах, ограничив его лишь моментами их регистрации».

В последние годы феномен квантовой интерференции был продемонстрирован на примере других частиц, а также атомов и даже молекул.

Двухщелевой эксперимент в применении к электронам характеризуется тремя ключевыми качествами красивого эксперимента. Он фундаментален и демонстрирует своеобразное поведение материи на атомарном уровне, противоречащее нашим интуитивным представлениям о мире. Электрон, испущенный источником, через какое-то время достигает детектора на определенном расстоянии от него. Но где он находится по пути? Эксперимент с квантовой интерференцией (как с использованием двух щелей, так и бипризмы) показывает, что квантовый объект, в отличие от объекта макромира, не имеет четко определяемого местонахождения в пространстве и во времени. «Где ты был?» – вот вопрос, который не имеет смысла по отношению к электрону. Он был везде и нигде. И если эксперимент Юнга с двумя щелями и светом стал важнейшим обоснованием необходимости смены научной парадигмы и перехода от восприятия света как потока частиц к восприятию его как волны, то двухщелевой эксперимент с отдельными электронами является столь же убедительным основанием для другой смены парадигмы – с классической на квантовую.

Он экономичен, так как, несмотря на всю его революционность, оборудование, необходимое для его проведения, в настоящее время вполне доступно, а базовые концепции, связанные с ним, понятны. Более того, данный эксперимент в лаконичной форме демонстрирует все те загадки, которые обычно ассоциируются с квантовой механикой: и знаменитый «кот Шредингера», и неравенства Белла, и эксперименты с нелокальностью могут быть сведены к квантовой интерференции.

Кроме того, эксперимент не вызывает ни малейших сомнений. Он способен убедить самого закоренелого скептика, не принимающего на веру истин квантовой механики. Даже человеку, хорошо разбирающемуся в квантовой механике, теория может представляться крайне абстрактной, а ее импликации – далекими от нашего восприятия. Двухщелевой эксперимент превращает абстрактную теорию в легко постижимый ощутимый образ. «До того как я увидел его собственными глазами (в колледже), я не верил ни единому слову современной физики», – написал мне в ходе моего опроса один ученый.