Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Здравый смысл говорит нам, что свет не может быть волной и частицей в одно и то же время. Однако, несмотря на суждения здравого смысла и на то, нравится нам это или нет, эксперименты утверждают, что дело обстоит именно так. В отличие от символа веры, созданного в V веке, этот факт не является ни вопросом семантики, ни вопросом выбора, ни даже вопросом веры. Нам нет нужды еженедельно декламировать квантово-механические символы веры, чтобы сделать их менее гротескными или более правдоподобными.

Об «интерпретациях квантовой механики» говорят не без серьезной причины. Дело в том, что «классическая» картина реальности, а именно картина мира, описываемая ньютоновскими законами классического движения и знакомая нам по опыту в человеческих масштабах, не способна отразить полную картину происходящего вокруг. Поверхностный мир наших восприятий скрывает ключевые аспекты процессов, лежащих в основе наблюдаемых нами явлений. Так и Платоновы философы не могли открыть биологические процессы, управляющие людьми, наблюдая только тени людей на стене. Никакой уровень анализа, скорее всего, не позволил бы им полностью разобраться в реальности, порождающей эти темные фигуры.

Квантовый мир бросает вызов нашим представлениям о разумном – или даже возможном. Это означает, что на малых пространственных масштабах и на коротких отрезках времени простое классическое поведение макроскопических объектов, к примеру бейсбольных мячей, летящих от подающего игрока к принимающему, попросту не работает. Вместо этого на малых масштабах объекты демонстрируют множество разных вариантов классического, а также запрещенного классической теорией поведения – в одно и то же время.

Квантовая механика, как и почти вся физика со времен Платона, началась с размышлений ученых о свете. Поэтому вполне уместно начать разговор о квантовом безумии тоже со света; в данном случае уместно вернуться к важному эксперименту, о котором первым сообщил один из самых разносторонних британских профессоров, Томас Юнг, около 1800 г., – к знаменитому «эксперименту с двумя щелями».

Юнг жил в эпоху, которую нам сегодня трудно даже представить; в то время талантливый и трудолюбивый человек мог совершить прорывные открытия во множестве различных областей науки. Но Юнг был не просто талантливым и трудолюбивым человеком. Он был настоящим вундеркиндом, который научился читать в два года, а к тринадцати успел прочесть все основные греческие и латинские эпические поэмы, построить микроскоп и телескоп и заняться сразу четырьмя иностранными языками. Позже, получив медицинское образование и став врачом, Юнг первым, в 1806 г., предложил современную концепцию энергии, сегодня пронизывающую все без исключения области научных исследований. Одно это обеспечило бы ему место в истории, но в свободное время он, помимо этого, одним из первых занялся расшифровкой иероглифов Розеттского камня. Он разрабатывал физику упругих материалов, ту самую, где мы сегодня пользуемся модулем Юнга, и участвовал в первых попытках прояснить физиологию цветного зрения. А его смелая демонстрация волновой природы света (которая стала возражением против почти общепринятого мнения Исаака Ньютона о том, что свет состоит из частиц) оказалась настолько убедительной, что легла в основание последующего открытия Максвеллом электромагнитных волн.

Эксперимент Юнга очень прост. Вернемся в пещеру Платона и рассмотрим экран, помещенный перед задней стеной пещеры. Проделаем в этом экране две щели, как показано на рисунке (вид сверху).

Если световые лучи состоят из частиц, то те из них, что проходят сквозь щели, образуют на стене две яркие линии ровно позади щелей.

Однако было хорошо известно, что волны, в отличие от частиц, отклоняются возле препятствий и узких щелей и должны дать на стене совершенно иную картину. Если волны наталкиваются на барьер и если обе щели в нем узкие, то от каждой щели распространяются кольцевые волны, а затем волны от двух щелей «интерферируют» друг с другом, в некоторых местах складываясь и, соответственно, усиливаясь, а в других – гася друг друга и, соответственно, ослабляясь. В результате на задней стене возникает рисунок из ярко освещенных и темных областей, как показано на рисунке.