одновременно. То есть, если вы классический физик, вы говорите: фотон после разделителя летит с вероятностью 50 % либо по одному пути, либо по другому. А если вы физик квантовый, то вы говорите: фотон после разделителя находится в суперпозиции, он одновременно и там, и там: пока никто не мешает, реализуются оба варианта. Или, как правильнее говорить, фотон существует в виде волн вероятностей.
И если же мы не будем пытаться его поймать, то эти вероятности спокойненько и не торопясь «пролетят» по обоим путям и интерферируют, выдав местонахождение фотона в виде следа на экране. На этой тонкой разнице рухнула вся классическая механика.
Наличие детектора или, как это называют в физике, «наблюдение», убивает суперпозицию фотона. То есть, обнаруживая на путях детектор, суперпозиция самоуничтожается, фотон рэндомно и непредсказуемо переходит в одно из имеющихся определенных состояний, «выбирает», по какому пути ему теперь, горемычному, лететь и, собственно, туда и летит. Если вы уже заражены литературой по квантовой магии, материальности мыслей, то самое время отметить, что «наблюдение» — это не появление высшего разума с ушами возле мирового интерферометра. Наблюдение — обычная ситуация, препятствие, которое ломает фотону всё приключение, заставляя его двигаться только по одному пути вместо одновременного движения по нескольким.
Рассматривая интерференцию света как сложение двух прилетевших вероятностей, наконец, можно дать ответ на вопрос, заданный в начале главы, о том, что такое амплитуда световой волны? Ужаснитесь: амплитуда световой волны — это не высота гребня волны, не ее плотность, и не количество заряда на пике. Амплитуда световой волны, амплитуда фотона — это, после некоторых расчетов, ее/его вероятность обнаружения в некоторой области пространства. Вы только подумайте: то, что мы считали волновой характеристикой неизвестной природы, оказывается практически броском игрового кубика. Мы называем свет волной только потому, что его вероятности обнаружения подчиняются некоторым волноподобным условиям.
Классическая механика с поправками на корпускулярно-волновой дуализм утверждала, что амплитуда (интенсивность) показывает, сколько фотонов находится на каждом пути после разделения. А квантовая физика говорит, что амплитуда фотона — это вероятность его обнаружения в определенный момент времени там, где он пролетает. Вот это поворот! Мы физикой занимаемся или бросанием костей? — так примерно думали Эйнштейн с последователями.
Давайте для закрепления повторим еще раз. Фотон в момент попадания на зеркало-разделитель не бросает монетку, решая по какому пути лететь. Вместо этого он, откладывает монетку до лучших времен и приобретает состояние суперпозиции вероятностей: «вероятность 1 + вероятность 2». Затем, оказываясь в суперпозиции, он, оставаясь по-прежнему целым фотоном, разделяется на волны вероятностей 1 и 2, и с этими значениями пролетает по каждому пути. Если где-то ему попадается препятствие, затыкающее эту траекторию, то случается «коллапс» — фотон достает монетку, бросает, и однозначно «материализуется» из суперпозиции в одном из вариантов траекторий: либо врезается в детектор, либо врезается в экран, как неделимый шарик-частица на единственно выбранном пути.
Но если фотону не мешать в его путешествии по двум веткам интерферометра, то в конце две волны вероятности встретятся. Амплитуды наложатся друг на друга, фотон снова подбросит свой кубик, но в этот раз из-за интерференции амплитуд ему можно будет использовать, скажем, только четные грани кубика, а нечетные — нельзя. И материализовавшийся из-за встречи с экраном фотон оставит свой след в том месте экрана, на которое указал вселенский генератор случайных чисел. Череда полос на экране говорит нам о том, что светлые полоски — это места, где фотон врезается чаще всего, а темные полоски — места, где фотоны практически никогда не обнаруживаются. То, что мы воспринимаем как вроде бы понятную классическую интерференцию, в итоге оказывается графиком распределения пойманных фотонов, вышедших из состояния суперпозиции. Невероятно, согласитесь?
Мы только что узнали голую неприкрытую правду о микромире. Спешим сказать, что и электрон, и протон, и даже некоторые молекулы похожим образом ведут себя на интерферометре. Представьте себе: запущенная в экран молекула интерферирует сама с собой. Правда, это специальная молекула, настроенная особым образом, но сути это не меняет. Технически и мы с вами как набор частиц интерферируем в пространстве, но так как все внутри нас взаимосвязано и переплетено, то суперпозиция наших частиц постоянно схлопывается, создавая иллюзию стабильности и однозначного нахождения в пространстве.
Мы ответили на вопрос, какой физический смысл несет в себе амплитуда электромагнитной волны. Длина же этой волны (и соответственно частота) означает сколько энергии несет в себе такая волна — вспомним про волны Де Бройля, про которые мы говорили в предыдущей главе. Однако кроме этого длина волны указывает нам область пространства, в которой мы в соответствии с амплитудой будем «ловить» частицу, если нам вдруг это понадобится. Но мы слегка забегаем вперед.
Главное, по окончанию главы не делать поспешных выводов и отметить очень важную вещь: электромагнитная волна не является волной, ей не требуется никакая среда для распространения. Она сама по себе реальная форма материи с некоторыми странными свойствами, ну, вы поняли: существование в суперпозиции вероятностей и всё такое. Поэтому любой современный ученый никогда не станет рассматривать всерьез фрические выкладки об эфире и конденсатах ментальной энергии — ничего этого не требуется для понимания и описания явлений микромира. В микромире, вообще всё по-другому устроено, и классический подход там ни к селу, ни к городу. Увы, обыватель, который задвигает про недооцененность эфирных моделей даже близко не представляет суть явления и ориентируется на обрывки критики квантовой механики начала прошлого века. С тех пор прошло более ста лет, и наши знания о квантовом мире сильно продвинулись вперед, при этом не опровергая предположения Борна, а наоборот, подтверждая и дополняя.
Несмотря на очевидное безумие, квантовая интерпретация поведения частицы в интерферометре объяснила множество вещей, которые до тех пор были вообще за гранью понимания. Человечество узнало, как на самом деле устроен атом, как происходят ядерные взаимодействия, почему и как работает химия и т. д. Увы, движок мироздания работает на вероятностях, и это твердый факт!
Давайте просто временно отложим в сторону книгу и погрустим на тему того, как же все сложно, черт побери, в этом мире.
Глава 12
Кот Шрёдингера и параллельные миры
Если подумать, то первым, кто запер
животных в коробке был Ной.
В предыдущей лекции мы узнали, что там, на расстояниях меньше микроскопических, происходит какая-то фигня. Материя перестает быть материей, она