О. Деревенский: Фокусы-покусы квантовой теории

Может, вы оскорбились в своих лучших чувствах? Понимаем… Вам же, небось, в детстве рассказывали сказки про фотонные ракеты – вот уж где отдача, так отдача! Но кто же виноват в том, что с возрастом вы так и не поняли, что это были сказки?

В этом месте верующие в то, что кванты света переносят импульс, выкладывают последний аргумент – на их взгляд, совершенно убойный. В 1960 г. на околоземной орбите заработал американский спутник «Эхо-1» - 30-метровый сферический надувной баллон с металлизирующим покрытием. Отношение массы к площади поверхности у него было ничтожным. И вот, его орбита стала сильно эволюционировать – как будто солнечный свет и впрямь на него давил. Казалось бы, случай чистый. Ан нет! Вредное ультрафиолетовое излучение Солнца должно было вырывать электроны из поверхности спутника, заряжая его положительно. Компенсирующий приток электронов из окружающего пространства происходил бы не симметрично: из-за магнитного действия фотоэлектронов, летевших, в основном, в сторону Солнца, притекавшие электроны формировали бы область избыточной концентрации отрицательного заряда с противосолнечной стороны от баллона. Этот избыточный отрицательный заряд притягивал бы положительно заряженный баллон – вот вам и сила, тянувшая баллон в направлении «от Солнца». Оценки величин показывают: этот механизм совершенно реалистичен. Тогда доказывает ли случай со спутником «Эхо-1», что свет производит давление? Угадайте! Теоретикам угадать будет сложно – уж больно крепка их вера. «Веруем – что в звёздах-гигантах свет, идущий из недр, сдерживает гравитационное сжатие! Веруем, что в эпицентре ядерного взрыва давление света так велико, что ударная волна им и порождается! Кто не верит – сунь туда пальчик, проверь!»

Но вернёмся в бурное начало ХХ века, когда теоретикам пришлось туго из-за простого вопроса: если свет – это полноценные частицы, то откуда же у света берутся волновые свойства? Взять хотя бы явление интерференции, когда свет падает на систему из множества параллельных щелей. То, что происходит дальше, волновая теория объясняет, ничуть не напрягаясь. Волновой фронт, проходя сквозь эти щели, дробится на множество участочков, которые становятся источниками вторичных волн. Складываясь, эти вторичные волны либо усиливают друг друга, либо, наоборот, гасят – в соответствии с разностью фаз, которая зависит от направления распространения света за щелями. Отчего на экране и получается интерференционная картинка: чередующиеся светлые и тёмные полосы. Прекрасно, но как объяснить происхождение этой картинки с квантовых позиций? По этой картинке, кстати, и судят о длине волны света. Что такое длина волны у волны – это понятно. А что такое длина волны у кванта? И если квант – полноценная частица, то он должен пролетать сквозь какую-то одну щель, а не сквозь несколько щелей сразу. Откуда же тогда взяться интерференционной картинке? Причём: чем больше щелей, тем эта картинка резче. Что же получается: квант пролетает сквозь одну щель, но каким-то образом чувствует все остальные?

Сначала попробовали обойтись здесь лихим наскоком. Мол, каждый квант проходит сквозь одну щель, но полосы получаются, когда квантов пролетает много. Вот они и взаимодействуют друг с другом. Пусть, мол, не вполне понятно, что такое длина волны у кванта, но она у него, безусловно, есть. Ну, и всё! Разные кванты проходят сквозь разные щели при разных фазах своих волн – вот и накладываются потом друг на друга, отчего и получается картинка! Да уж… до щелей-то кванты тоже друг на друга накладываются – а где же она там, картинка? И ещё: если фазы квантов при прохождении щелей распределены случайным образом – а это обычное дело при нелазерных источниках света – то из названного лихого объяснения никак не следует, что на экране получится система светлых и тёмных полос. И, чтобы дальше не трепаться зря насчёт интерференционной картинки, как результате взаимодействия квантов друг с другом, добавим вот что. Были специально поставлены опыты при сверхмалых световых потоках: кванты летели, практически, поодиночке – и нужно было долго-долго ждать, пока этих квантов пролетит достаточно для того, чтобы на результирующей фотке удалось что-нибудь разглядеть. Выяснилось: картинки, полученные при обычных световых потоках и малых временах экспозиции, идентичны картинкам, полученным при сверхмалых световых потоках и достаточно больших временах экспозиции. Вот вам и «взаимодействие квантов друг с другом»! Кстати, результаты этих опытов оказали на некоторых теоретиков жуткое воздействие. «Раз уж полосы получаются даже тогда, когда кванты летят поодиночке, - рассудили они, - то имеем право допустить, что каждый квант рисует сразу всю картинку, только очень слабенькую. А с каждым новым квантом вся эта картинка только усиливается!» Их послушать – так каждый квант размазывается на весь экран. Или – на всю фотопластинку. Дяденьки, да вы хоть раз рядом с физической лабораторией стояли? Хоть одну фотопластинку проявили? Ну, хотя бы поинтересуйтесь, что такое фотографические зёрнышки, из которых эти пластинки состоят. Чтобы зёрнышко сработало, оно должно поглотить квант целиком! Реалии таковы: каждый квант попадает в одну точку на фотопластинке – как при обычных световых потоках, так и при сверхмалых. Просто в первом из этих вариантов светлые и тёмные полосы получаются быстренько, а во втором – нужно ждать, пока они нарисуются. Из отдельных точек! Но это значит, что если квантам присущи волновые свойства, то они присущи каждому кванту в отдельности!