Квантовый ум. Грань между физикой и психологией
Шрифт:
Однако, в большинстве случаев мы попадаем в центр экрана, прямо напротив щели, через которую мы проходим. В результате, паттерн нашего рассеяния создает кривую вероятности, которая выглядит как вертикальный колокол с пиком в центре.
Рис. 14.2. Кривая вероятности в случае, когда открыта одна щель
Когда физики видели электроны, проходящие через одиночную щель и создающие эту кривую вероятности, они были счастливы. Они говорили: «Отлично, электроны действуют как обычные частицы. Они подобны камешкам или капелькам аэрозольной краски. Если вы распыляете
Физики говорят: «Мы ожидали получить именно такие результаты. Теперь давайте посмотрим, что происходит, если мы будем более щедрыми и откроем для электронов вторую щель в перегородке». Представьте себе ту же самую комнату, но с двумя открытыми щелями в перегородке. На этот раз, пересекая ту неизведанную область между открытой щелью в перегородке и экраном, мы с друзьями попадаем на экран неожиданным образом. Мы ведем себя не так, как если бы мы были двумя потоками аэрозольной краски, проходящими через две щели и образующими две колоколообразные кривые.
Нет. Вместо этого в определенных точках экрана имеются пустые места, то есть туда почти не попадают электроны. Наша колоколообразная кривая вероятности превратилась в правильный волнистый узор, который вы видите на правой стороне приведенного ниже рисунка. Что произошло?
Рис. 14.3. Кривая вероятности для случая, когда открыты две щели, показывает, что электроны ведут себя как волны, интерферируя друг с другом
Новая кривая совсем другая. По-прежнему в центре имеется больше отметок, чем в любой другой точке. Однако в других точках, куда попадали бы электроны, если бы была открыта только одна щель, нет почти ничего. Имеется много отметок электронов на пиках кривой, но рядом с этими отметками, где на рисунке показаны знаки (—), электронов гораздо меньше. Как это могло произойти? Почему, когда имеются две щели, которые дают мне и моим друзьям-электронам две возможности, мы, доходя до экрана, иногда вообще никуда не попадаем?
Начиная с 1920-х гг. ученые пытались разгадать этот паттерн да/нет, и на этот счет имеется много идей. Один из ответов, которые дают на этот вопрос слушатели на моих семинарах, это: «Выбор сводит электроны с ума». Еще один ответ: «Электроны хотят держаться вместе потому, что им становится одиноко». Это замечательные теории, но они, равно как и другие аналогичные идеи, представляют собой объяснения НОР, которые трудно проверить. Мы не можем проверить, делают ли электроны выбор или им нравится жаться друг к другу, не общаясь с ними, а этого пока никому не удалось сделать воспроизводимым образом. Это не означает, что электронам не хочется держаться вместе или что две альтернативы не делают их более безумными, чем одна. Любая из этих возможностей может быть сколь угодно близкой к истине. Мы просто не можем проверить эти идеи.
Квантовые объекты, подобные электронам, живут в своем собственном мире, который обычно не доступен нам в общепринятой реальности. Если мы пытаемся прослеживать электроны, то настолько возмущаем их, что получаемая нами картина более не отражает то, что они делали бы, если бы мы им не мешали. Из-за нашего наблюдения невозможно дать ответ на вопрос ОР о том, что в точности происходит с электроном. Сама энергия, необходимая для наблюдения электронов, – луч света, который мы используем, чтобы их видеть, – отбрасывает их в неопределенные области Вселенной!
Поэтому мы не можем точно знать с точки зрения времени и пространства, что происходит между электронной пушкой и экраном. Нам известно лишь то, откуда электроны двигались, и то, что они, в конце концов, вызывали щелчки счетчиков на экране. Нам известен только результат, то есть поведение электронов на экране. Мы знаем, что это поведение зависит
от того, открываем ли мы одну или две щели. Результаты показывают, что по какой-то неизвестной причине электроны ведут себя так, как если бы они были волнами, когда открыты две щели, но когда открыта только одна щель, они ведут себя как частицы.Интерференция и волновая механика
Почему мы говорим, что электроны ведут себя подобно волнам? Потому что их узор «да/нет» на экране носит периодический характер. Все мы знаем, что значит для вещей быть периодичными во времени. Они колеблются от дня к ночи, от зимы к весне, лету и осени. Периодичность в пространстве означает волноподобный характер, похожий на волны на воде. Если мы представляем себе волнистую линю, то видим высокие гребни и глубокие впадины. Поведение электронов на экране после прохождения через две щели выглядит периодическим и напоминает нам волны.
Все волны обладают интересным свойством, которое ученые называют интерференцией. Когда встречаются две волны, они складываются там, где совпадают их высокие участки, и вычитаются или погашаются там, где высокий участок одной волны встречается с низким участком другой. Это сложение и погашение называется интерференцией. Например, пересекающиеся волны воды в одних местах становятся очень большими, а в других местах мешают друг другу и выглядят маленькими.
Я представляю себе, что когда отец волновой механики Эрвин Шредингер смотрел на картину электронов на экране, он говорил: «На экране наблюдается поведение типа «да/нет». Это напоминает мне то, как ведут себя известные волны, когда происходит взаимодействие двух или более волн, – они интерферируют друг с другом. Мы постоянно наблюдаем интерференции звуковых волн и волн на воде. Назовем квантовую механику волновой механикой». Подобно известным волнам звука или воды, электроны интерферируют друг с другом. Они создают паттерн «да/нет» там, где они взаимно складываются или вычитаются.
Вы можете наблюдать интерференцию в своей кухонной раковине или ванне. Наполните раковину водой. Подождите, пока она успокоится так, что поверхность станет гладкой, а затем капните в раковину каплю воды из крана и наблюдайте, как волны распространяются концентрическими кругами. Потов капните вторую каплю на расстоянии нескольких сантиметров от первой и наблюдайте распространение волн из этого второго места. Наконец посмотрите, что происходит в середине водной поверхности, когда вы одновременно капаете две капли в разных местах. В одних местах волны от двух мест сливаются, создавая большую волну, а в других взаимно вычитаются или погашаются, так что кажется, что там вообще нет волн. В результате получается красивый переплетающийся узор из перекрещивающихся волн. Этот узор обусловлен интерференцией.
Физики рассуждали, что электроны, проходящие через две щели, должны быть волнами материи. Нильс Бор называл их волнами вероятности. Гейзенберг говорил, что волны вероятности нельзя измерить или увидеть, можно видеть только волноподобное изображение квантовых объектов на экране после их прохождения через две щели. Поэтому мы не можем называть электроны или другие квантовые объекты волнами материи – или вообще любыми волнами, – поскольку мы не можем видеть, что происходит, когда электроны находятся в полете. Самое большее, можно говорить, что эти результаты могли бы быть вызваны волнами. Непокорный Шредингер говорил, что независимо от того, можно ли в действительности видеть волны, все равно возможно использовать основные формулы для видимого движения воды и звука для описания невидимого электрона.
Полученное уравнение для всех видов квантовых объектов было названо волновым уравнением, хотя никому и никогда не удавалось увидеть сами волны. Физики используют волновые уравнения потому, что математика столь хорошо соответствует картине, получающейся на экране. Математика согласуется со следами, которые электроны оставляют на экране, и была очень полезной для демонстрации паттернов всех других квантовых объектов в разнообразных условиях. Иными словами, как бы мы ни называли эту область физики – волновой механикой, квантовой механикой или квантовой физикой, – она достигла больших успехов в описании паттернов субатомных частиц.