Биоцентризм. Как жизнь создает Вселенную - Боб Берман

Таким образом, в тот момент, когда частица достигает барьера с двумя щелями, она проявляет вероятностную свободу и может пройти через барьер сразу в двух ипостасях. Хотя сами по себе фотоны и электроны являются неделимыми частицами и ни при каких условиях не расщепляются, в виде вероятностных волн они проявляют совсем иные свойства.

Таким образом, через наблюдаемую нами щель проходят не физические частицы, а лишь вероятности. Вероятностные волны отдельного фотона интерферируют друг с другом! Когда через щель проникнет достаточно много таких волн, мы видим характерный узор, в котором вероятности сливаются в физические сущности, которые оказывают физическое воздействие и доступны для наблюдения – в форме волн.

Да, все это звучит невероятно, но, судя по всему, именно так все происходит в реальности. Здесь описан только первый пример квантовой странности.

Как было указано в предыдущей главе, в квантовой теории действует принцип дополнительности. В соответствии с этим принципом объект может наблюдаться либо в одной ипостаси, либо в другой, но не в двух сразу. Соответственно, он может иметь одно из двух положений и один из двух наборов свойств. Конкретное проявление объекта зависит от того, подвергается ли он наблюдению и какое оборудование при этом используется.

Теперь предположим, что мы хотим узнать, через какую именно щель фотон проскальзывает на пути к экрану-детектору. Это закономерный вопрос, и ответить на него не так уж сложно. Можно воспользоваться поляризованным светом (так называется свет, волны которого вибрируют только в горизонтальном либо только в вертикальном направлении или медленно вращаются). Когда применяется такая смесь волн, мы получаем такой же результат, как и при первом опыте.

Но теперь давайте попытаемся определить, через какую именно щель пролетает конкретный фотон. Для этого использовались разные варианты эксперимента, здесь мы рассмотрим опыт, в котором перед каждой из щелей устанавливается четвертьволновая пластинка (QWP). Каждая такая пластинка изменяет поляризацию света специфическим образом. Детектор позволяет узнать полярность входящего фотона. Итак, зафиксировав его полярность, мы определим, через какую из щелей он прошел.

Теперь повторим этот эксперимент – будем пропускать фотоны через щели по одному. В данном случае мы уже знаем, через какую именно щель прошел фотон.

Но результаты эксперимента радикально меняются. Даже несмотря на то, что четвертьволновые пластинки никак не воздействуют на сами фотоны, а просто меняют полярность света (ниже мы докажем, что изменение результатов эксперимента никак не зависит от четвертьволновых пластинок), мы уже не наблюдаем интерференционного рисунка. Кривая на графике неожиданно изменяется и становится в точности такой, как если бы фотоны были частицами, а не волнами.

Что-то произошло. Оказывается, сам акт измерения и определение траектории каждого фотона исключает «вероятностную свободу» частицы, не позволяет ей пребывать в зыбком неопределенном состоянии и идти к барьеру сразу по двум путям. Коллапс волновой функции частицы должен был произойти в измерительном устройстве, то есть на четвертьволновой пластинке, так как фотон вдруг «решил» стать частицей и проскочить либо через одну щель, либо через другую. Фотон перестал проявлять волновые свойства, как только вышел из зыбкого вероятностного не вполне реального состояния. Но почему фотон все-таки «пошел на коллапс» волновой функции? Как он узнал, что человек-наблюдатель сможет определить, через какую из щелей проскочит эта частица?

Величайшие умы прошлого века безуспешно пытались объяснить этот парадокс. Одно лишь наше знание о траектории фотона или электрона приводит к тому, что частица становится конкретной сущностью, а не суммой вероятностей. Разумеется, физики проверили, не может ли это странное поведение объясняться какими-то взаимодействиями между самим фотоном и детектором траекторий, оснащенным четвертьволновыми пластинками (либо другими подобными устройствами). Оказалось, дело не в этом. Для опытов конструировались самые разные приборы, которые со всей определенностью никак не воздействовали на фотон. Тем не менее интерференционный рисунок исчезал. Итоговое заключение, к которому ученые пришли через много лет, формулируется так: просто невозможно одновременно узнать и траекторию частицы, и интерференционный рисунок, создаваемый энергетическими волнами.

Мы возвращаемся к принципу дополнительности, важнейшему аспекту квантовой теории. Он заключается в том, что при каждом эксперименте можно узнать/измерить лишь одну пару характеристик, но не две сразу. Когда вы полностью знаете свойства частицы в одной ипостаси, то ничего не будете знать о другой. Если же вы все еще в чем-то подозреваете четвертьволновые пластинки, развею все ваши сомнения. При использовании таких пластинок в любых других условиях, даже в эксперименте с двумя щелями, но без применения поляризующих барьеров (позволяющих судить о природе частицы), сам акт поляризации фотона никак не сказывается на интерференционном рисунке.

Хорошо, давайте проведем другой эксперимент. Как было показано в предыдущей главе, существуют запутанные частицы (мельчайшие фрагменты материи) или кванты света, которые появляются одновременно и в полном соответствии с законами квантовой физики имеют общую волновую функцию. Они могут разлететься в разные стороны – даже оказаться в противоположных краях галактики, – но не утратят этой связи, «знания» друг о друге. Если мы проведем с одной из таких частиц какие-либо манипуляции, в результате которых она потеряет универсальную вероятностную природу и должна будет немедленно получить конкретное воплощение (например, в результате вертикальной поляризации), то частица-близнец также материализуется в тот самый момент – но уже с поляризацией по горизонтали. Если одна из частиц проявит себя как электрон с восходящим спином, то ее близнец также окажется электроном, но с нисходящим спином. Они навечно связаны в соответствии с принципом дополнительности.

Итак, воспользуемся прибором, который выстреливает частицы-близнецы в разных направлениях. В таких экспериментах запутанные фотоны-близнецы создаются путем пропускания света через кристаллы особого вещества, называемого «бета-борат бария» (BBO). В этом кристалле высокоэнергетический фотон фиолетового света, полученный из лазера, преобразуется в два красных фотона, каждый из которых обладает вполовину меньшей энергией, чем исходная частица. Соответственно, не происходит никаких чистых потерь или накопления энергии. На выходе получается два запутанных фотона, которые разлетаются в разных направлениях. Обозначим эти направления P и S.

В исходном варианте нашего эксперимента не учитывалась информация о том, какой путь изберет фотон. Теперь мы вносим в эксперимент всего одно изменение – добавляем счетчик совпадений. Он нужен для того, чтобы полярность фотона на детекторе S осталась для нас неизвестной, пока его близнец не попадет в детектор P. Один из близнецов проходит через щели (назовем этот фотон s), а второй просто летит ко второму детектору. Лишь когда оба детектора синхронно регистрируют попадание фотона, мы узнаем, что оба фотона-близнеца завершили свой путь. Только этот факт фиксируется нашим оборудованием. В результате получаем на детекторе S уже знакомый нам интерференционный паттерн.

Это логично. В данном эксперименте мы не узнаем, через какую именно щель проскальзывает конкретный фотон или электрон, поэтому объекты остаются вероятностными волнами.

Далее начинается самое интересное. Во-первых, мы переустановим четвертьволновые пластинки таким образом, чтобы можно было получить информацию о траектории фотонов, отправившихся по пути S.

Как и ожидалось, интерференционный рисунок исчезает, сменяется одиночной кривой – то есть мы получаем график, соответствующий отдельной частице.

Пока все понятно. Но теперь давайте устраним возможность определения пути фотона s, при этом никак не затрагивая сам фотон. Для этого мы можем поставить поляризующее стекло на пути второго фотона, P. Пластинка не позволит регистрировать совпадения на втором детекторе. Она будет измерять пути лишь некоторых фотонов и фактически деполяризует двойные сигналы. Поскольку счетчик совпадений в данном опыте исключительно важен для получения информации о завершении путей частиц-близнецов, а мы вывели его из строя, весь аппарат стал бесполезен. Теперь мы не можем с его помощью определять, в какую из щелей проскальзывают отдельные фотоны, летящие по пути S, так как не можем сравнивать их с фотонами-близнецами. Мы могли бы зарегистрировать их только при помощи счетчика совпадений, а он уже не работает. Кроме того, еще одно важное уточнение: мы не трогали четвертьволновую пластинку фотона P. Мы всего лишь повлияли на него таким образом, что сознательно лишили себя возможности пользоваться счетчиком совпадений и получать информацию о траектории. Между прочим, новая конструкция все-таки предоставляет нам данные. Прибор регистрирует «попадания», только когда полярность измеряется на детекторе S. При этом счетчик совпадений сообщает, что на детекторе P для фотона-близнеца синхронно была отмечена такая же либо иная полярность. Вот результат.