Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика

Когда электрон обнаруживается, волновая функция «быстро исчезает», и тогда мы тотчас и точно узнаем о его местоположении. Но в момент, когда мы прекращаем наблюдение, «волновая функция распространяется заново по всему пространству и взаимодействуете волновыми функциями других электронов, и даже, при определенных условиях, с самой собой», — по словам британского физика Джона Гриббина.

Эрвин Шрёдингер.

Волновая механика, созданная Эрвином Шрёдингером (1887-1961), основывается на решении этого уравнения для различных физических ситуаций.

Что же произойдет, если мы воспроизведем то же самое с электронами? Если мы закрываем одну из щелей, то наблюдаем тот же самый результат, что и во время опыта с пулями. Однако самое странное возникает тогда, когда мы открываем вторую щель: в таком случае мы видим, как на экране формируется картина интерференции, полученная в ходе опыта со светом! Именно такой вывод и сделал Дэвиссон в 1927 году: электроны ведут себя как волны в бассейне.

Мы могли бы подумать, что испускаемые электроны одновременно проходят через щели и, взаимодействуя, накладываются друг на друга, как и положено волнам материи, о которых писал де Бройль. Для проверки сократим частоту выстрелов электронов, чтобы они выходили в меньшем количестве за один раз. Наш экран подсоединен к счетчикам Гейгера, подающим сигнал («клик») каждый раз, когда их касается один электрон (не будем забывать, что счетчики Гейгера обнаруживают частицы, а не волны). Мы начинаем выстреливать электроны по одному таким образом, что наша пушка выбрасывает следующий электрон только тогда, когда раздается сигнал, означающий попадание предыдущего электрона в экран. Через определенный срок, будучи уверенными в том, что выпустили достаточное количество электронов, мы начинаем изучать распределение попаданий в экран и видим, опять же, волновую картину интерференции! Как это возможно? Электрон взаимодействует сам с собой? Похоже, эксперимент указывает именно на это. Но если он ведет себя как волна, тогда почему счетчики Гейгера реагировали на него, сообщая, что в экран попала частица? Иными словами: картина интерференции говорит нам о том, что электрон пересекает две щели в одно и то же время, затем взаимодействует сам с собой и ведет себя при этом как волна. Но в то же время счетчик Гейгера обнаруживает его на экране, и следовательно, он — частица. Это просто безумие!

Действительно ли электрон проходит через две щели? Вот что легко доказать. Давайте поставим перед одной из щелей детектор, регистрирующий событие прохождения электрона сквозь нее, и повторим опыт. Нас ждет новый сюрприз: электроны перестают вести себя как волны и начинают вести себя как классические частицы, пролетая либо через первую, либо через вторую щель, но не через две одновременно, образуя на экране только две полосы напротив каждой из щелей. Как только детектор выключали, восстанавливалась прежняя интерференционная картина.

В заключение можно сказать, что в микромире наш повседневный опыт ничего не стоит. Существует фундаментальная неопределенность в природе, мешающая нам, например, одновременно точно измерить скорость и расположение одной частицы или энергию и продолжительность данного процесса. Объяснение заключается в невозможности отделить явление от процесса наблюдения. Наблюдая, мы изменяем мир тем, что постигаем его именно таким способом, а не каким-либо иным. И каким мы увидим электрон — как волну или как частицу — зависит от того, что мы хотим видеть. И еще одно: мы не можем утверждать, что электрон перемещается из одной точки в другую по определенной траектории; нам необходимо отбросить понятие «пути». Электроны не следуют по определенным траекториям, как это делают пули станкового пулемета. Когда атом поглощает фотон и электрон поднимается на более высокую орбиту, то он достигает ее мгновенно, не пересекая промежуточное пространство. Электрон перестает существовать в одном месте, чтобы одновременно появиться в другом: в этом и состоит удивительный и невероятный квантовый скачок.

Все это наглядно показывает, каким запутанным делом может быть изучение физики — науки, с которой Ричард Фейнман связал свою жизнь.

Мир, увиденный в МТИ

В начале XX века в физике задавали тон европейские ученые. Квантовая теория развивалась вне Соединенных Штатов Америки, которые стремились компенсировать свое отставание с помощью чековой книжки, покупая «умы». Зимой 1932 года Авраам Флекснер, создатель и первый директор Института перспективных исследований Принстона, убедил Альберта Эйнштейна стать в нем профессором. Эйнштейн вместе со своей супругой Эльзой, секретарем Элен Дукас и ассистентом Вальтером Майером 17 октября 1933 года прибыл в Нью-Йорк.

Принцип неопределенности «по Азимову»

В своей книге Asimov on physics (1976) писатель Айзек Азимов (1920-1992) объясняет связь между энергией и временем, используя для этого следующую аналогию: в классе один ученик любит проказничать каждый раз, когда учитель поворачивается, чтобы писать на доске. Если мальчик двигается мало (то, что в квантовом мире соответствует явлению, требующему малое количество энергии) и только показывает язык, он сможет кривляться в течение значительно долгого интервала времени. Однако, если он совершает другие «геройства», например встает из-за своей парты (то, что требует много энергии), ему нужно быть очень быстрым, чтобы учитель его не подловил. Это могло бы показаться нарушением святейшего принципа сохранения энергии, но принцип неопределенности Гейзенберга остается неопровержимым: допустимо «позаимствовать» энергию в таком количестве, чтобы можно было ее вернуть по окончании срока «займа». Чем больше количество позаимствованной энергии, тем более недолговременным будет займ.

Айзек Азимов в 1965 году.

Французский физик Поль Ланжевен высказался по этому поводу так: «Это такое же важное событие, как и воображаемый переезд Ватикана в Новый Свет. Папа физики уехал, и Соединенные Штаты Америки стали мировым центром естественных наук». Здесь, в Нью-Йорке, обсаженная деревьями аллея вела в дом ученого на улице Мерсер, где и был создан его легендарный образ.

Представления американских физиков были иными, чем в Европе. В то время как в Старом Свете обсуждали философские аспекты квантовой механики, американские взгляды еще находилась под влиянием идей Томаса Эдисона: теоретическая физика должна служить экспериментальной физике. В свете концептуальной революции, пришедшей из Европы, Джон К. Слейтер позволил себе провокационное заявление: «Физик-теоретик должен требовать от своих теорий лишь одно: делать достаточно точные прогнозы результатов экспериментов». Физик-ядерщик Эдвард Кондон (который станет известным в 1960-е годы во время руководства Боулдеровским проектом по НЛО в Колорадском университете) объяснял с иронией свое видение работы физиков-теоретиков: «Они тщательно изучают результаты, полученные от физиков-экспериментаторов, затем переформулируют их труд в статьях, настолько математических, что даже им самим сложно их читать».

Такое отношение к теоретической физике не предвещало ничего хорошего для математиков... Несмотря на все это, Фейнман прибыл в МТИ с намерением изучать именно математику. К середине первого семестра он вошел в кабинет директора департамента математики и задал ему классический вопрос: «Для чего необходима математика?» И получил вполне классический ответ: «Если вы задаете себе подобный вопрос, значит, вы ошиблись в выборе профессии». Директор не преминул проинформировать его о том, что существовала возможность избежать карьеры преподавателя математики: необходимо было стать агентом в страховой компании. Карьера офисного сотрудника совсем не привлекала Фейнмана, и он даже захотел заняться электротехникой. Но ему не понравилось, что этот предмет слишком сосредоточен на практических результатах. И далее он уже обратился к физике.

МТИ имел очень четкую идею управления своим научным департаментом. Джордж Истмен, изобретатель фотопленки, профинансировал работу новых лабораторий физики и химии. Среди главных объектов исследований фигурировало использование электромагнитного спектра для обнаружения тайн, спрятанных внутри материи: приближалась эпоха масштабной спектроскопии. В качестве дополнения к этой экспериментальной программе для студентов читали курс «Введение в теоретическую физику».

Массовая научная эмиграция