Джим Аль-Халили - Квант

Подобный эксперимент можно провести с использованием песка. На этот раз второй экран располагается под первым и в дело вступает гравитация. Когда песок падает на верхний экран, на нижнем экране под прорезями образуются две отдельные кучки. В этом нет ничего удивительного, ведь каждая песчинка должна пройти либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь; в этом случае волн нет, а следовательно, не происходит и интерференции. Если прорези одинаковы по размеру, а песок на верхний экран высыпается ровно между ними, две кучки песка на нижнем экране будут одинаковы по высоте.

Проникая сквозь две узкие прорези, свет формирует полосы на экране вследствие интерференции световых волн, проходящих сквозь прорези. Само собой, это происходит, только если источник света «монохромен» (то есть дает свет с одинаковой длиной волны).

И тут мы переходим к самому интересному – пробуем повторить тот же фокус с атомами. Специальный аппарат – за неимением лучшего имени назовем его атомной пушкой – выстреливает пучок атомов на экран с двумя достаточно узкими прорезями [1] Для этого эксперимента прорези действительно должны быть очень узкими и расположенными близко друг к другу. Такие эксперименты действительно проводились в 1990-х годах: в них использовался экран из золотой фольги с прорезями шириной один микрометр (одну тысячную миллиметра). . Второй экран покрывается специальным слоем, на котором вспыхивают крошечные огоньки, когда атом касается его.

Конечно, не стоит и говорить, что атомы представляют собой мельчайшие частицы, а следовательно, должны вести себя подобно песку, а не подобно распространенным волнам, которые могут проходить одновременно сквозь обе прорези.

Песчинки, само собой, не ведут себя, как волны, и формируют под прорезями две отдельные кучки.

Сначала мы проводим эксперимент, открыв только одну прорезь. Вполне ожидаемо на заднем экране за этой прорезью вспыхивают несколько отстоящие друг от друга огоньки. Это небольшое рассеивание огоньков может озаботить вас, если вы уже кое-что знаете о волновом поведении, ведь именно это происходит с волной, проходящей сквозь узкую прорезь (дифракция). Однако мы тут же заверяем себя, что волноваться пока не стоит, поскольку некоторые атомы могли задеть края прорези и отлететь в сторону, вместо того чтобы пройти прямо насквозь, что и может объяснить их рассеивание.

Далее мы открываем вторую прорезь и ожидаем, когда на экране появятся огоньки. Если бы я сейчас попросил вас предположить, как они распределятся на этот раз, вы бы, само собой, сказали, что они будут напоминать две кучки песка. Иначе говоря, что за каждой из прорезей образуется скопление огоньков, два отдельных световых пятна, более ярких в центре и постепенно меркнущих к периферии, куда атомы будут попадать реже. Расстояние между двумя световыми пятнами будет темным, соответствуя той области экрана, достичь которой атомам одинаково сложно, сквозь какую из прорезей они бы ни пролетали.

Теперь повторим тот же фокус с атомами. Когда одна из прорезей закрыта, атомы проходят только сквозь открытую прорезь. Распределение точек на заднем экране показывает, куда попали атомы. Хотя незначительный разброс и объясняется волновым свойством под названием дифракция, мы все же можем утверждать, что атомы ведут себя, как частицы, и результат эксперимента аналогичен тому, что мы видели в случае с кучками песка.

Что ж – сюрприз! – атомы ведут себя иначе. Вместо двух световых пятен мы видим картину интерференции, составленную светлыми и темными полосами, прямо как в случае со светом. И самой яркой частью экрана – хотите верьте, хотите нет – становится центр, где мы вообще не ожидали увидеть ни одного атома!

Мы можем попытаться объяснить, как это происходит. Хотя атом представляет собой крошечную локализованную частицу (в конце концов, каждый атом ударяется об экран в одной конкретной точке), потоки атомов как будто тайком договариваются друг с другом вести себя подобно волне. Атомы омывают первый экран, после чего те, которые сумели проникнуть сквозь прорези, «интерферируют» с путями друг друга посредством атомных сил таким образом, который в точности повторяет картину, получаемую при наложении друг на друга гребней и впадин двух волн. Возможно, атомы сталкиваются особым, согласованным путем и таким образом направляют друг друга на экран. Казалось бы, атомы совершенно не похожи на распространенные волны (такие как волны света и звука или водяные волны), но, вероятно, нам не следует и ожидать, что они будут вести себя в точности как песчинки.

Вот здесь земля и уходит у нас из-под ног. Начнем с того, что узор полос на заднем экране каким-то образом связан с тем, как интерферируют две волны. Как и в случае с обычными волнами, детали этой картины зависят от ширины прорезей, расстояния между ними и между экранами.

Само по себе это не является доказательством того, что атомы ведут себя подобно волнам. Однако эксперимент с двумя прорезями не только проводился с атомами, он проводился и в таких условиях, когда отдельные атомы выпускались по одиночке! Иначе говоря, новый атом выпускался только в тот момент, когда на заднем экране уже вспыхивал огонек, сигнализирующий о попадании предыдущего, и так далее. Таким образом в каждый момент времени через наш аппарат проходит лишь один атом. Каждый атом, которому удается пройти сквозь прорезь, оставляет крошечный огонек в некотором месте экрана. На практике большая часть атомов не проходит сквозь узкие прорези первого экрана, но нам интересны лишь те, которые все же пролетают сквозь них.

Наблюдаемое невероятно. Огоньков постепенно становится все больше, а там, где они располагаются особенно плотно, проявляются световые полосы картины интерференции. Между этими полосами возникают темные области, куда попадает очень мало атомов или не попадает вовсе.

Казалось бы, мы уже не можем утверждать, что атомы, пролетающие сквозь одну прорезь, сталкиваются с атомами, пролетающими сквозь другую. Картина интерференции не может быть результатом коллективного поведения. Так что тогда происходит? Особенно примечательным этот результат делает то, что на втором экране существуют области, куда атомы попадают, когда открыта только одна из прорезей. Открывая вторую прорезь, мы предоставляем атомам другой маршрут и ожидаем, что шансы на попадание атомов в эти области увеличатся. Однако, когда открыты обе прорези, атомы вообще не попадают туда. А значит, если атом действительно проходит только через одну прорезь, он должен каким-то образом понимать, открыта ли вторая, и действовать соответствующе!