Как раскололся солнечный луч надвое, стал самым элегантным экспериментом по физике, проливая свет на основную природу реальности

Представьте, что вы бросаете бейсбол и не можете точно сказать, куда он пойдет, несмотря на вашу способность точно бросать. Скажите, что вы сможете предсказать только то, что он с равной вероятностью окажется в рукаве одного из пяти ловцов. Бейсбол случайным образом материализуется в рукавицах одного ловца, а остальные пустуют.

И до того, как его поймают, вы не можете говорить о том, что бейсбол реален, потому что у него нет детерминированной траектории от метателя к ловцу. Пока он не станет «реальным», мяч потенциально может появиться в любом из пяти митингов. Это может показаться странным, но изучаемый квантовыми физиками мир субатомного поведения ведет себя так нелогично.

Микроскопические частицы, регулируемые законами квантовой механики, поднимают некоторые из самых больших вопросов о природе нашей лежащей в основе реальности. Живем ли мы во вселенной, которая является детерминированной или отданной случайности и броскам игральных костей? Существуют ли реальность в самых маленьких масштабах природы независимо от наблюдателей или наблюдений — или реальность создается при наблюдении?

И есть ли «жуткие действия на расстоянии», фраза Альберта Эйнштейна о том, как одна частица может мгновенно влиять на другую частицу, даже если две частицы находятся друг от друга. Какими бы глубокими ни были эти вопросы, их можно задать и понять, если еще не удовлетворительно ответить, — взглянув на современные вариации простого эксперимента, начавшегося как изучение природы света более 200 лет назад.

Он называется экспериментом с двойной щелевой, и его находки проходят по венам экспериментальной квантовой физики. Американский физик Ричард Фейнман в 1965 году заявил, что этот эксперимент «включает в себя сердце квантовой механики». Вернер Гейзенберг, немецкий физик и один из основателей квантовой физики, часто ссылался на этот странный эксперимент в своих обсуждениях с другими, чтобы «сконцентрировать яд парадокса», подброшенный природой в самых маленьких масштабах.

В своей простейшей форме эксперимент включает в себя отправку отдельных частиц, таких как фотоны или электроны, по одной, через два отверстия или щели, разрезанные в непрозрачном барьере.

Частица приземляется на экране наблюдения на другой стороне барьера.

Если вы посмотрите, через какую щелевую часть проходит частица (наша интуиция, отточенная, живя в мире, который мы делаем, мы скажем, что она должна пройти через одну или другую), частица ведет себя как частица и идет по одному из двух возможных путей.

Но если человек просто следит за посадкой частиц на экран после ее прохождения через щели, то фотон или электрон, кажется, ведут себя как волна, якобы проходя через обе щели одновременно.

Когда микроскопические сущности имеют возможность делать много вещей одновременно, например, метафизический бейсбол, они, кажется, потворствуют всем возможностям.

Такое поведение невозможно представить.

Здравый смысл подводит нас, когда имеешь дело с миром кванта.

Чтобы объяснить результат чего-то столь же простого, как частица, столкнувшаяся с двумя щелями, квантовая физика возвращается к математических уравнениям.

Но в отличие от классической физики, где уравнения позволят вычислить, скажем, точную траекторию бейсбола, уравнения квантовой физики позволяют делать только вероятностные утверждения о том, что произойдет с фотоном или электроном.

Важно отметить, что эти уравнения не рисуют четкой картины того, что на самом деле происходит с частицами между источником и экраном.

Неудивительно, что разные интерпретации эксперимента с двойной щелей предлагают альтернативные взгляды на реальность.

Например, в конце 1920-х и начале 30-х годов некоторые физики сделали поразительное заявление о том, что частица, проходящая через две щели, не имеет четкого пути или даже не объективной реальности, пока один не наблюдает ее на экране с другой стороны.

На собрании физиков и философов в особняке Карлсберга близ Копенгагена в 1936 году голландский физик Хендрик Казимир запоминал, что электрон должен быть где-то на пути от источника до экрана наблюдения.

На что Нильс Бор, один из основателей квантовой механики, ответил, что ответ зависит от значения фразы «быть».

Другими словами, что значит говорить, что что-то существует?

Один философ в тот день, датский логический позитивист Йорген Йоргенсен, возразил в раздражении: «Черт побери, не сводить всю философию к экрану с двумя дырами».

Тем не менее, удивительно, какую часть квантовой физики и философии можно понять, используя экран с двумя дырами или их вариациями.

История двойного эксперимента восходит к началу 1800-х годов, когда физики обсуждали природу света.

Свет ведет себя как волна или состоит из частиц?

Последняя точка зрения была пропагандирована в 17 веке не меньше физиком, чем Исаак Ньютоном.

Свет, по словам Ньютона, является корпускулярным или состоит из частиц.

Голландский ученый Христиан Гюйгенс утверждал иначе.

Свет, по его словам, — это волна — название, данное вибрациям среды, в которой движется волна.

Например, волна в воде — это, по сути, то, как вода движется вверх и вниз по мере распространения волны.

Гюйгенс утверждал, что свет — это вибрации во всепроникающем эфире.

В первые годы 19 века англичанин Томас Янг, по-видимому, урегулировал дебаты.

Он первым провел эксперимент с лучом солнечного света, солнечным лучом, через две узкие щели.

На экране с другой стороны он наблюдал не две полосы света — как и следовало ожидать, если бы свет был сделан из частиц, проходящих через ту или иную щель, — а картину чередующихся ярких и темных полос, характерных для двух наборов волн, взаимодействующих друг с другом.

Рис.

442 из «Лований» Томаса Янга, опубликованных в 1807 году, в которых подробно описывается его оригинальный «двухщелевой» эксперимент.

Предоставлено Викимедиа.

Представьте себе океанскую волну, поражающую береговую волну, которая имеет два отверстия.

Новые волны распространяются из каждого отверстия и направляются к побережью.

Эти волны в конечном итоге перекрываются и мешают — в некоторых местах конструктивно (где гребень одной волны встречается с гребнем другой), а в некоторых местах разрушительно (гребов одной волны встречает корыту другой).

В эксперименте Янга он видел подобные помехи.

Наблюдаемые полосы имели яркие области, указывающие на конструктивную интерференцию, и темные области, типичные для деструктивной интерференции.

Этот взгляд на свет как волну получил сильную математическую поддержку, когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал свою теорию электромагнетизма в 1860-х годах, показав, что свет тоже является электромагнитной волной.

На этом история была бы концом — если бы не рождение квантовой физики, которая началась с аргумента немецкого физика Макса Планка в 1900 году, что энергия приходит в кванты или крошечные неделимые единицы.

Затем в 1905 г.

Эйнштейн изучил фотоэффект, при котором свет, падающий на некоторые металлы, выбивает электроны, эффект можно объяснить только тогда, когда свет квантов, при каждом квантовом света аналогично частице.

Эти кванты света стали называться фотонами.

Теперь эксперимент с двойной щели становится безумно противоречивым.

Представьте, что светит свет на двух щелей по одной квантовой или частице за раз.

Наши классические чувства говорят нам, что фотон должен пройти через ту или иную щель.

А на экране с другой стороны (скажем, фотопластинка, которая записывает фотоны по мере поступления по одной) каждый фотон создает пятно, и мы ожидаем, что эти пятна накапливаются за двумя щелями и образуют две яркие полосы.

Но это квантовый мир, так что, конечно, это не то, что происходит.

Когда фотоны попадают на фотопластинку, со временем появляется интерференционная картина.

Каждый фотон поступает только в определенные места на плите — в области, которые представляли бы конструктивную помеху, если бы свет был волной.

Фотоны в основном избегают областей, которые представляют деструктивную помеху.

Это явный признак помех и волнообразного поведения.

Но наш источник — излучающий свет по одному фотону.

Фотопластинка записывает свое появление как отдельную частицу.

И – это очень важно – фотоны проходят через аппарат по одному.

Нет никакого взаимодействия между одним фотоном и другим, или первым фотоном, 10-м и т.д.

Итак, что мешает чему?

Здесь входит математика.

В середине 1920-х годов несколько сказочно талантливых физиков, в том числе Гейзенберг, Паскуаль Джордан, Макс Борн и Пол Дирак в одной группе и Эрвин Шредингер, разработали два способа математического изображения квантового подземного мира.

Эти два способа оказались эквивалентными.

Это сводится к этому: состояние любой квантовой системы представлена математической абстракцией, называемой волновой функцией.

Существует одно уравнение, называемое уравнением Шредингера, которое говорит нам, как эта волновая функция и, следовательно, состояние квантовой системы меняются со временем.

Это позволяет физикам предсказывать вероятности результатов эксперимента.

Волновая функция начинает распространяться, как и волна, с разными значениями в разных местах в контексте эксперимента с двойным щелчком, думайте о волновой функции как о волнистом поверхности, которая кодирует информацию о местоположении фотона.

Когда фотон выходит из своего источника, волновая функция достигает пика в одном месте и почти везде почти нуля, что позволяет предположить, что фотон локализован вблизи источника.

Но теперь математика вступает в бой.

Прогресс фотона может быть зафиксирован уравнением Шредингера, которое показывает, как волновая функция развивается со временем.

Волновая функция начинает распространяться, как и волна, с разными значениями в разных местах.

Эти значения связаны с вероятностями нахождения частицы в этих местах, если вы решите посмотреть.

Когда эта волновая функция распространяется, она сталкивается с двумя щелями.

И точно так же, как волна воды, поражающая два отверстия в разрыве, волновая функция (что, не забывайте, является математической абстракцией) расщепляет: один компонент проходит через левую щель, а другой — через правую щель.

С другой стороны возникают две волновые функции, и каждая из них распространяется и развивается, все еще в соответствии с уравнением Шредингера.

Все это детерминировано и предсказуемо.

К тому времени, когда отдельные волновые функции достигают фотопластинки, они достаточно разошлись, чтобы начать мешать друг другу, как волны в океане.

Состояние фотона теперь определяется волновой функцией, которая представляет собой комбинацию мешающих волновых функций двух компонентов: теперь говорят, что сам фотон находится в «наложении» прохождения обеих щелей.

На фотопластинке после обнаружения эта комбинированная волновая функция снова достигает пика в одном месте и везде становится более или менее нулевой.

Фотон регистрируется в этом месте.

Кажется, все это имеет смысл — вроде как — пока вы не начнете копаться в математических уравнениях.

Что такое волновая функция и что она означает для волновой функции, чтобы пройти через две щели?

Волновая функция что-то реальное?

И как можно выяснить, где волновая функция будет достигать пика, когда она встретится с фотографической пластиной?

Почему там пик, а не где-то?

В уравнениях квантовой механики волновая функция является, ну, математической функцией.

Для любой квантовой системы с более чем двумя частицами волновая функция не живет в трех знакомых пространственных измерениях нашего мира.

Скорее, он существует в так называемом конфигурационном пространстве (абстрактное математическое пространство, количество измерений которого грибов с возрастающим числом частиц, но мы можем пока игнорировать это).

Летом 1926 г., всего через несколько месяцев после того, как Шредингер придумал свое одноименное уравнение эволюции волновой функции, Борн выяснил, что значение волновой функции в заданной точке пространства и времени можно использовать для расчета вероятности нахождения фотона в этом месте.

Для двойной щели получается, что вероятности очень низкие для областей, где две составляющие волновой функции деструктивно мешают, а для областей, где они мешают конструктивно.

Все это кажется заманчиво понятным, но при ближайшем рассмотрении появляются новые вопросы.

Фотон проходил через обе щели сразу?

Есть ли у фотона траектория, поскольку он покидает источник и в конечном итоге обнаруживается на фотопластинке?

А учитывая, что математика говорит, что есть много областей, где фотон можно найти с ненулевой вероятностью, почему он оказывается в одном из этих областей, а не в других?

Наконец, если фотон не проходил через обе щели, а скорее волновая функция, реальна ли волновая функция?

Попытка ответить на такие вопросы приводит нас в суть того, что сбивает с толку в квантовой механике, и приводит нас в контакт с глубокими философскими проблемами природы реальности.

Возьмем вопрос детерминизма.

Когда вы бросите бейсбол в классический мир, физика подскажет вам, где она приземлится.

Не так в квантовой сфере.

Волновая функция не может предсказать точное местоположение, в котором будет приземляться фотон, — только вероятность ее приземления в любом из множества точек.

Для любого данного фотона вы никогда не сможете с уверенностью предсказать, где он будет найден: все, что вы можете сказать, это то, что он будет найден в области A с вероятностью X или в области B с вероятностью y и так далее.

Эти вероятности рождаются, когда вы много раз проводите эксперимент с одинаковыми фотонами, но точная судьба отдельного фотона не для нас знать.

Природа в ее наиболее фундаментальной кажущейся неопределенной, случайной.

Двухщелевой эксперимент также позволяет нам исследовать представления о реализме, идею о том, что объективная реальность существует независимо от наблюдателей или наблюдения.

Вспомните рассказ Казимира о собрании в особняке Карлсберга: здравый смысл говорит нам, что фотон должен иметь чистый путь от источника к фотопластинке.

Но математический формализм стандартной квантовой механики не имеет переменной, которая захватывает положение частицы по мере ее движения — только отправная точка и конечная точка, зависящая от наблюдения.

И так, фотон не имеет траектории.

Фактически, одним способом интерпретации формализма, названного Копенгагенской интерпретацией места, где он обрел форму, фотон не имеет объективной реальности, пока не опустится на фотографическую пластину.

В своей крайнести часто говорят, что интерпретация Копенгагена является антиреалистичной.

В более общем плане антиреализм придерживается позиции, что реальность не существует независимо от наблюдателя (наблюдатель не обязательно означает сознательный человек, это может быть фотопластинка; мнения по этому поводу различаются).

Эйнштейн был реалистом.

Он был непреклонен в том, что стандартная квантовая механика неполна, поскольку ей не хватает необходимых переменных для фиксации траектории — положения и импульса частицы по мере ее движения.

Эйнштейн также был признанным приверженцем принципа местности: представление о том, что что-то, происходящее в одном месте, не может повлиять на то, что происходит в другом месте, быстрее скорости света.

В совокупности эта философская позиция называется локальным реализмом.

Противоположность локальности — нелокальности — подчеркивается чем-то столь же простым, как эксперимент с двойной щелей.

Когда волновая функция фотона приближается к фотопластинке, фотон находится в квантовом суперпозиции одновременно во многих местах (это не значит, что фотон на самом деле находится в этих местах одновременно, это просто способ говорить о математике; сам фотон еще не приписывается реальной мыслей о ней).

При наблюдении говорят, что волновая функция коллапс, поскольку ее значение достигает пика в одном месте и становится почти нулем в другом месте.

Фотон локализован и, таким образом, находится в одном из его множества возможных мест.

Наверняка фотон, который нельзя разделить на более мелкие части, не может пройти через обе щели одновременно?

Эйнштейн указал на проблему с этим сценарием (он использовал немного другой мысленный эксперимент, чем двойной щел, но концептуальные аргументы те же).

Если волновая функция есть нечто реальное — или является частью онтологии мира, в жаргоне философов — то ее крах — нелокальное событие.

Измерение вызвало пик волновой функции в одном месте и одновременно переходит к нулю в другом месте.

В принципе, волновая функция может быть распространена на километры, и этот сценарий все еще будет сохраняться.

На область, далеко отдалённую друг от друга, будут мгновенно влиять коллапс, вызванный измерением в одном месте.

Есть еще один способ думать о волновой функции, которая избегает этого трудно.

Многие последователи стандартной квантовой механики сказали бы, что волновая функция эпистемична — она просто фиксирует наши знания о реальности.

Если это так, то коллапс — это просто обострение наших знаний о реальности, и поэтому это не физическое событие и, следовательно, не подразумевает нелокальность.

Но если волновая функция недействительна — то что проходит через две щели?

Наверняка фотон, который нельзя разделить дальше на более мелкие части, не может пройти через обе щели одновременно?

Что-то должно проходить через обе щели одновременно, чтобы генерировать интерференционную картину.

Если не фотон или его волновая функция, что еще может быть?

Эпистемические или онтологические вопросы о волновой функции остаются.

Помимо состояния волновой функции, возможно, наиболее известная проблема, подкрепленная экспериментом с двойной щели, заключается в том, что то, что в квантовой сфере иногда может действовать как волна, а иногда как частица, явление, называемое дуальностью волн-частицы.

Если нам все равно, что по какому щелю пройдет фотон, фотон ведет себя как волна и приземляется на определенную часть фотопластинки.

Когда на таких частях попадает достаточно фотонов, появляются конструктивные интерференционные полосы.

Важно отметить, что фотоны почти никогда не попадают в области, которые останутся темными.

Но наши классические умы бунтуют.

Мы не можем пренебрегать убеждением, что фотон должен пройти через ту или иную щель.

Поэтому ставим детекторы рядом с щелями (допустим, что наши детекторы работают без разрушения фотонов).

происходит что-то странное.

Фотоны теперь будут проходить через ту или иную щель.

Любопытно, что на этот раз они не будут формировать интерференционную картину.

Они действуют как частицы, и они пойдут в те области на фотографической плите, которые избегали, когда действовали как волна.

Когда Эйнштейн и Бор спорили о эксперименте с двойной щелей, считалось, что физическое нарушение, вызванное актом взгляда, приводит к исчезновению интерференционной картины.

Но с тех пор стало ясно, что проблема глубже.

Экспериментаторы разработали способы определения, через какую щель пройдет фотон, якобы не нарушая его.

Оказывается, что простое присутствие этой «пойду» (Велчер-Вег на немецком языке) информации — то, что в принципе можно извлечь, — разрушает интерференционную картину.

Фотоны ведут себя как частицы.

Двойственность волн-частиц была доведена до крайности еще более изощренными версиями эксперимента с двойной щелей.

В 1982 году Марлан Скалли, который учился в Университете Нью-Мексико, и Кай Друль из Института квантовой оптики Макса Планка в Мюнхене придумали одну из самых запоминающихся вариаций.

Что, если есть способ сначала собрать информацию о том, куда идет фотон (принуждая его действовать как частица), а затем стереть эту информацию?

Стирание информации приведет к тому, что фотоны будут действовать как волны — даже после того, как они предположительно прошли через ту или иную щель в качестве частицы и приземлились на фотопластину?

Эмпирический ответ на этот знаменитый вопрос о квантовом ластике — однозначное «да».

В 2000 году Скалли объединилась с Юн-Хо Кимом и коллегами из Университета Мэриленда в Балтиморе и провела этот эксперимент с использованием атомов, которые могли бы испускать пару запутанных фотонов (в математических терминах две запутанные фотоны описываются одной и той же волновой функцией, поэтому действие на одном фотоне сразу же влияет на коллапс одной волновой функции.

Нелокальность является явным аспектом этой версии двухщелевочного эксперимента).

Экспериментальная установка была сконструирована таким образом, что если один фотон запутанной пары пройдет через двойную щель, партнерский фотон можно было бы использовать для извлечения информации, «по какую сторону» о первом фотоне.

Скалли и коллеги показали, что если вы стерли эту информацию, то первый фотон действовал как волна, иначе он действовал как частица.

Было ясно, что фотон ведет себя как волна или частица, зависит от выбора экспериментальной установки.

Основываясь на этом открытии, в 1978 году американский физик Джон Уилер придумал, пожалуй, самую известную версию эксперимента с двойной щелей, которую он назвал «отсроченным выбором».

Яркая идея Уилера заключалась в том, чтобы спросить: что, если мы задержим выбор типа эксперимента, пока не войдешь в аппарат?

Скажем, он входит в устройство, которое настроено на поиск природной волны фотонов.

Таким образом, фотон должен — в соответствии со стандартным образом мышления — перейти в суперпозицию двух путей.

Если два пути рекомбинированы, они мешают, и мы получаем огранки.

Теперь, сказал Уилер, давайте сделаем ловкость рук.

Незадолго до обнаружения фотона давайте перенастроим аппарат так, чтобы он теперь искал природу частиц фотона.

Это можно сделать, вынув устройство, которое вызывает рекомбинацию путей, позволяя каждому пути идти по пути к отдельным детекторам.

Как это бывает, вы не можете обмануть фотона, как бы вы ни старались.

Экспериментаторы провели мысленный эксперимент Уиллера с повышением точности и изысканности и квантовыми мировыми правилами.

Когда они удаляют в самый последний момент устройство, которое рекомбинирует два фотонных пути, фотон действует как частица, предполагая, что он взял тот или иной путь, хотя в начале он должен был вступить в суперпозицию обоих путей одновременно.

Основываясь на таких результатах, Уилер утверждал, что фотон не имеет внутренней природы — ни волны, ни частицы — до того, как он будет обнаружен.

В противном случае, если он войдет в аппарат как частица, и вы сделали коммутатор наносекунды перед обнаружением и решили посмотреть на его волновую природу, ему пришлось бы вернуться в прошлое и снова войти в аппарат как волну.

Как еще можно объяснить наблюдаемую интерференционную картину?

По мнению Уилера, отрицание фотона независимо от наблюдения не позволяет постулировать абсурдные фотоны, путешествующие во времени, но тогда вам придется жить с антиреализмом стандартной квантовой механики, который некоторые считают неприятным.

Экспериментаторы также объединили эксперименты с отсроченным выбором и квантовым стиранием в один ошеломляющий квантовый эксперимент с замедленным выбором, в котором вы не только задерживаете выбор того, что посмотреть (частично или волновая природа), но и можно случайным образом стереть этот выбор.

Опять же, фотон или любая квантовая система покажет вам только одно лицо или другое, и то, что он раскрывает, зависит от конечного состояния экспериментального аппарата.

На все частицы во Вселенной мгновенно влияет форма нелокальности, которая заставит Эйнштейна вздрагивать, такие эксперименты предполагают, что акт измерения сворачивает волновую функцию, но что на самом деле означает коллапс?

Что еще более загадочно, нужно ли коллапс в конечном счете наблюдать сознательное человеческое существо?

(Чтобы быть ясно, сегодня почти ни один физик не считает, что это так.) Чтобы избежать общительных смысловых проблем, не связанных с здравомыслием, стандартной квантовой механикой, были предприняты множество попыток переосмыслить результаты и поставить новые теории.

Одной из этих усилий является так называемая теория де Бройля-Бома, которая утверждает, что реальность есть и волна, и частица.

В этой теории частица действительна и имеет определенное положение во все времена и, следовательно, траекторию, но эта частица направляется пилотной волной, которая развивается по уравнению Шредингера.

В контексте эксперимента с двойной щелей частица всегда проходит через ту или иную щель, но пилотная волна или волновая функция проходят через оба и мешают себе на другой стороне щелей, и эта интерференционная картина направляет частицу к фотопластинке.

Теория де Бройля-Бома реалистична: как частицы, так и волновые функции реальны.

Но теория нелокальна.

На все частицы, где бы они ни находились во Вселенной, мгновенно влияют развивающаяся волновая функция, форма крайней нелокальности, которая заставит Эйнштейна вздрогнуть.

Еще один подход вызывает спонтанный коллапс волновой функции, независимо от наблюдателей или наблюдения.

Такие теории разработаны таким образом, что небольшие квантовые системы, такие как отдельные частицы, могут оставаться в суперпозиции состояний для эонов, но более крупные агломерации частиц, таких как кошка, не могут, и поэтому почти мгновенно сходят в одно из многих вероятных состояний.

Такие теории предсказывают, что по мере того, как системы становятся более крупными, спонтанные коллапсы заставят квантовые состояния стать классическими, они предсказывают массовую шкалу, в которой это происходит, отделяя квантовую реальность от классического мира.

Квантовый нанофизик Маркус Арндт и его коллеги из Вены используют эксперимент с двойной щелей, чтобы исследовать это разделение, посылая все большие и крупные вещи, такие органические макромолекулы и даже вирусы, через двойную щель для поиска помех.

Если они видят помехи, процесс является квантовомеханическим.

Но если они могут наблюдать исчезновение интерференционной картины и показать, что это только потому, что масса объекта, проходящего через две щели, больше, чем некое пороговое значение, то они могут утверждать, что нашли квантовую классическую дивизию.

Поиск продолжается.

Трудно переоценить важность эксперимента с двойной щелей для всего предприятия квантовой механики, несмотря на его удивительную простоту и элегантность.

Как выразилась Фейнман во время лекции в Корнельском университете в Нью-Йорке в 1964 году: «Любо… ситуация в квантовой механике, как оказалось, всегда можно объяснить, сказав: «Вы помните случай эксперимента с двумя дырами?» В 1964 году даже Фейнман не мог знать, насколько важным будет эксперимент.

Но физике еще предстоит успешно объяснить эксперимент с двойной щелей.

Дело остается нераскрытым.