Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер

квантовой, и хотя она кажется далекой от мира, который мы ощущаем, для объяснения многих повседневных явлений – например того же магнетизма – нам необходимо постичь ее тайны. В этой главе рассматривается вопрос о том, как наш классический мир может возникать из мира квантового.

Жизнь пси

Слово «квантовый» означает дискретный, раздельный. Квантовая механика – это описание мира на уровне дискретных частиц. Я всегда предполагал, что она должна иметь какое-то отношение к вероятности; на самом деле эти два понятия родственны.

Представьте себе кристалл кальцита. Кальцит разделяет луч света на два. Если это просто луч, то все в порядке, но квантовая механика пытается описывать объекты на самом мелком масштабе: из чего состоит сам этот луч? Эйнштейн тоже приучил нас считать свет состоящим из мельчайших частей – элементарных частиц, которые называются фотонами. Но тогда немедленно возникает проблема. Если луч света – это поток фотонов, то что решает, куда именно направляется каждый отдельный фотон в кальците? Для каждого фотона должна существовать вероятность того, что он полетит по одному или другому пути. Ну, хорошо, говорите вы, может быть, с ними происходит то же, что с молекулами воды в реке, разветвляющейся на два рукава. Но на самом деле происходит нечто еще более странное.

Между 1908 и 1913 годами эксперименты Гейгера – Марсдена (которые называют также экспериментами Резерфорда) показали, что у атомов есть компактные положительно заряженные ядра, окруженные отрицательным зарядом. В этих экспериментах золотую фольгу обстреливали положительно заряженными α-частицами. В очень редких случаях – приблизительно один раз из 10 000 – эти частицы отражались от фольги. Из этого следовало, что в атоме должна существовать малоразмерная положительно заряженная область, хотя в целом, как уже было известно, атомы нейтральны, то есть не имеют электрического заряда. Было соблазнительно представить себе, что атом подобен положительной планете, вокруг которой летают по орбитам отрицательные спутники, но тогда возникало следующее затруднение. Электрический заряд, движущийся по кругу, излучает энергию; поэтому, если электроны буквально вращаются вокруг ядра, как спутники вокруг планеты, они должны терять энергию и падать в ядро: тогда атомы распадались бы практически мгновенно. Но электроны не могут оставаться неподвижными, потому что отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно заряженным ядром, и тогда они падали бы в ядро, как яблоки с дерева. Что же они делают на самом деле?

Квантовая механика отвечает на этот вопрос так: электроны текут по своим орбитам, как вода в реке, но их течение – это течение вероятности, поток положений, в которых каждый электрон мог бы находиться. Если вы захотите увидеть электрон, вы найдете его в одном положении – но это потому, что вы на него посмотрели. Если посмотреть еще раз, электрон, по всей вероятности, окажется не там, где вы ожидаете его найти, предполагая, что он продолжает свое течение по орбите.

Эта странность выражается идеей «квантовой суперпозиции». Представьте себе знакомый предмет – монету (скажем, медный грош грубой чеканки), брошенную на стол в таверне на пари. Такая монета находится либо в одном, либо в другом состоянии, лежит либо орлом, либо решкой кверху. В отличие от нее квантовая монета может существовать в состоянии квантовой суперпозиции орла и решки, то есть при ее осмотре может обнаружиться любое из этих двух состояний. Принято считать, что суперпозиция – это магия, недоступная пониманию, но на самом деле это хорошо знакомое нам свойство волн. В этом контексте суперпозиция сводится к тому наблюдению, что результатом столкновения двух волн (скажем, в море) тоже является волна. Одно из последствий этого состоит в том, что если две водные волны проходят друг сквозь друга, они остаются после этого такими же, как раньше. Другое – в том, что любая сложная рябь представляет собой всего лишь комбинацию простых волн. Собственно, мы уже встречались с этой идеей, когда говорили о преобразовании Фурье: используя правильное сочетание чистых тонов, можно создать любой сложный звук. Поэтому суперпозиция нам знакома, и именно таким образом квантовая монета может существовать в состоянии комбинации орла и решки – как сложная волна, составленная из двух простых (волны орла и волны решки).

Однако у квантовой суперпозиции действительно есть одна магическая особенность: когда вы смотрите на грош, он лежит либо орлом, либо решкой. То, что было очевидным в срединной области, в квантовой становится волшебством – потому что когда вы смотрите на сложную морскую волну, она не перестает выглядеть сложной волной. Она остается в состоянии суперпозиции: ничто не заставляет ее принять вид одной из составляющих ее простых волн. Вся магия заключена в слове «квантовая», то есть дискретная: грош лежит либо так, либо эдак; когда вы ищете частицу, вы находите ее в каком-то одном месте. Вся магия квантовой механики, по сути, сводится к двум положениям, и это одно из них: в квантовой области измерения дают дискретные результаты.

Важно отметить, что между тем, как мы определяем вероятность в случаях броска квантовой и классической монеты, есть различие. Для розыгрыша пари в таверне есть традиционный способ бросать монету: вы подкидываете ее повыше, чтобы все видели, как она вращается в воздухе, ловите ладонью и торжествующим ударом прижимаете к столу, затем медленно заглядываете под ладонь, объявляете результат и только после этого убираете руку, выставляя монету на всеобщее обозрение. В тот момент, когда монета уже на столе, но ее еще никто не видел, она может оказаться лежащей кверху орлом или решкой с вероятностью 50:50. Но эта вероятность – всего лишь численное выражение отсутствия информации у зрителей: сама монета уже упала той или другой стороной. В этом и состоит ключевое отличие от квантового случая, потому что квантовая монета, пока ее не измерили, не лежит ни орлом, ни решкой – она находится в состоянии квантовой суперпозиции этих двух исходов, в явном, измеряемом отличии от классического сценария.

Чтобы понять это различие, рассмотрим следующий бросок «квантовой монеты». Вспомним о поляризации света: если считать свет волной, можно изобразить его в виде веревки, один конец которой привязан к столбу, а второй раскачивают вверх и вниз. Веревка ведет себя как электрическое поле света. Тогда поляризационный фильтр подобен попытке пропустить эту веревочную волну между планками забора: если веревка колеблется в том же направлении, в котором ориентированы планки, она может пройти в щель между ними, а если под прямым углом к планкам, то не может. Подавая неполяризованный свет на поляризационный фильтр, мы в некотором смысле подбрасываем квантовую монету: фильтр пропустит только половину света и задержит вторую половину, поляризация которой перпендикулярна. Как