Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Пока не истекли пятьдесят лет, проблема, кто же прав – Эйнштейн или сторонники квантовой механики, – оставалась нерешенной, поскольку, как мы увидим, дебаты проходили очень похожие на диалог Скалли и Малдера: любая попытка опровергнуть предложенные странные квантовомеханические взаимодействия и оставить нетронутым более традиционный взгляд Эйнштейна приводила к пониманию, что сами эксперименты с необходимостью будут портить те свойства, которые и пытаются изучить. Все это изменилось в 1960е годы. С ошеломляющей проницательностью ирландский физик Джон Белл показал, что проблема может быть решена экспериментально, что и было сделано в 1980е. Наиболее прямое прочтение результата таково, что Эйнштейн ошибался, и в действительности могут иметься странные, таинственные и подобные "призракам" квантовые взаимодействия между вещами здесь и вещами там. [5]

Обоснования, следующие после этого утверждения, столь тонки, что обсуждались физиками более тридцати лет, прежде чем были полностью поняты. Но после осмотра существенных особенностей квантовой механики мы увидим, что главные аргументы сводятся к чему-то, не более сложному, чем детская головоломка.

Смотр волн

Если вы посветите лазерной указкой на маленький кусочек черной засвеченной 35-миллиметровой пленки, с которой вы соскребли эмульсию в двух очень близких друг к другу и узких линиях, вы увидите прямое доказательство, что свет это волна. Если вы никогда этого не делали, стоит попытаться (вы можете использовать много вещей вместо пленки, таких как проволочная сетка из кофейной машины). Картина, которую вы увидите, когда лазерный луч пройдет через щели в пленке и упадет на экран, состоит из светлых и темных полос, как показано на Рис. 4.1, и объяснение этого рисунка основывается на главном свойстве волн. Волны на воде проще всего увидеть, так что сначала объясним существенные особенности волн на большом спокойном озере, а затем применим наши представления к свету.

Водяные волны возмущают плоскую поверхность озера, создавая области, где уровень воды выше, чем обычно, и области, где он ниже, чем обычно. Самая высокая часть волны называется ее гребнем (или пиком ), а наинизшая впадиной . Типичная волна содержит периодическую последовательность: гребень следует за впадиной, следующей за гребнем, и так далее. Если две волны направляются навстречу друг другу, – если, например, вы и я кидаем каждый по булыжнику в озеро недалеко друг от друга, – то когда они пересекаются, возникает важный эффект, известный как интерференция, что показано на Рис. 4.2а.

Рис 4.1Лазерный свет, проходя через две щели, вытравленные каждая на черной пленке, дает интерференционную картину на приемном экране, показывая, что свет это волна.

Когда гребень одной волны и гребень другой пересекаются, высота воды как раз возрастает, становясь равной сумме высот двух гребней. Аналогично, когда впадина одной волны пересекается со впадиной другой волны, понижение уровня воды становится больше, составляя сумму двух понижений. И имеется наиболее важная комбинация: когда гребень одной волны пересекает впадину другой, они стремятся погасить друг друга, так как гребень пытается поднять воду вверх, тогда как впадина пытается опустить ее вниз. Если высота гребня одной волны равна глубине впадины другой, будет полная компенсация при их пересечении, так что вода в этом месте совсем не будет двигаться.

Те же принципы объясняют картину, которую создает свет, когда он проходит через две щели, как на Рис. 4.1. Свет это электромагнитная волна; когда он проходит через две щели, он распадается на две волны, которые направляются к экрану. Как и в обсуждавшемся только что случае двух водяных волн, две волны света интерферируют друг с другом. Когда они достигают произвольной точки на экране, то иногда обе волны находятся на их гребнях, создавая на экране яркое пятно; иногда обе волны находятся в их впадинах, также создавая яркое пятно; но иногда одна волна находится на ее гребне, а другая в ее впадине и они уничтожаются, делая эту точку экрана темной. Мы проиллюстрировали это на Рис. 4.2b.

Когда движение волны анализируется в математических деталях, включая случаи частичных взаимопогашений волн, находящихся на различных стадиях между гребнями и впадинами, то можно показать, что яркие и темные пятна объединяются в полосы, изображенные на Рис. 4.1. Яркие и темные полосы, следовательно, являются явным знаком, что свет это волна, проблема, которая всегда горячо обсуждалась с тех пор, как Ньютон заявил, что свет это не волна, а, напротив, он создается потоком частиц (большим числом в единицу времени).

(а) (b)

Рис 4.2(а) Перекрывание водяных волн создает интерференционную картину; (b) Перекрывание световых волн создает интерференционную картину.

Более того, этот анализ равно применим к любым видам волн (световая волна, волна на воде, звуковая волна, что пожелаете), и поэтому интерференционные картинки обеспечивают метафорический дымящийся пистолет: вы знаете, что вы имеете дело с волной, если, когда она вынуждена проходить через две щели с правильно подобранным размером (определяемым расстоянием между гребнями и впадинами волны), итоговая картинка интенсивности выглядит как на Рис. 4.1 (с яркими областями, представляющими высокую интенсивность, и темными областями с низкой интенсивностью).

В 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер направили луч электронов – индивидуальных сущностей без всякой видимой связи с волнами – на кусочек кристалла никеля; детали нас не должны интересовать, но что важно, так это то, что этот эксперимент эквивалентен обстрелу лучом электронов барьера с двумя щелями. Когда экспериментаторы позволили электронам, которые проходили через щели, пролететь вперед к фосфорному экрану, где их место столкновения регистрировалось слабой вспышкой (такой же вид вспышек отвечает за картинку на вашем телевизионном экране), результаты оказались ошеломительными. Полагая электроны маленькими шариками или пульками, вы, естественно, ожидали, что положения их столкновений с экраном сформируют линии за двумя щелями, как показано на Рис. 4.3а. Но это не то, что нашли Дэвиссон и Гермер. Их эксперимент произвел данные, схематически показанные на Рис. 4.3b: положения соударений электронов с экраном заполняют интерференционную картинку, характеризующую волны. Дэвиссон и Гермер нашли дымящийся пистолет. Они показали, что луч отдельных электронов должен быть, неожиданно, одним из видов волн .

(а) (b)

Рис 4.3(а) Классическая физика предсказывает, что электроны, падающие на барьер с двумя щелями, произведут две яркие полосы на детекторе, (b) Квантовая физика предсказывает, а эксперимент подтверждает, что электроны будут производить интерференционную картинку, показывая, что они обладают волновыми свойствами .