Джон Гриббин
Шесть невозможностей. Загадки квантового мира
В 1974 г. три итальянских физика – Пьер Джорджо Мерли, Джан Франко Миссироли и Джулио Поцци – разработали метод наблюдения за процессом, эквивалентным эксперименту с двумя отверстиями для электронов. Вместо луча света они использовали пучок электронов, вылетающих с нити накала. Пучок пропускали через устройство, называемое электронной бипризмой. Электроны попадают в бипризму через единственный вход и встречают там электрическое поле, которое расщепляет пучок надвое: половина электронов направляется наружу через один выход, другая половина – через второй. В результате они попадают на детекторный экран, похожий на экран компьютера, где удар каждого электрона оставляет белую точку. Эти точки некоторое время остаются видимыми на экране, так что по мере того, как число электронов, прошедших через экспериментальную установку, растет, на экране образуется упорядоченная картина.
Когда в бипризму посылают один электрон, он вылетает из того или иного выхода с вероятностью 50/50 и оставляет на экране точку. Если через установку проходит пучок электронов, они оставляют на экране множество перекрывающихся точек, которые складываются в узор – в интерференционную картину, характерную для волн.
Само по себе это еще ни о чем не говорило. Даже если электроны – это частицы, в пучке их много, и, проходя через установку, они вполне могли бы взаимодействовать и образовать интерференционную картину. В конце концов, волны на поверхности воды тоже образуют интерференционные картины, а вода состоит из молекул, которые можно рассматривать как частицы. Однако это было еще не все.
Итальянский эксперимент был настолько точным, что электроны можно было выпускать один за другим, словно самолеты на вылете из загруженного аэропорта. И, как вылетающие самолеты, электроны летели друг за другом с существенным интервалом. Расстояние от источника электронов (он был устроен чуть более хитроумно, чем простая нить накаливания) до экрана детектора составляло 10 м, и очередной электрон покидал источник только после того, как его предшественник достигал пункта назначения. Вы, надеюсь, уже догадались, что происходило, когда тысячи электронов выстреливались один за другим, чтобы образовать рисунок на экране. На нем появлялась интерференционная картина! И если предположить, что отдельные частицы, чтобы сформировать эту картину, действовали совместно, как взаимодействующие молекулы воды в пруду, тогда взаимодействие между ними должно происходить не только через пространство, но и через время. Такой эксперимент стал известен как «двухщелевая дифракция одиночного электрона».
Если электроны запускать по одному, как в двухщелевом эксперименте со светом, каждый из них оставит на детекторном экране пятнышко света. Со временем пятнышки накапливаются и образуют интерференционную картину, как если бы электроны представляли собой волны (см. след. рис.).
Итальянская команда опубликовала свои поразительные результаты в 1976 г., но это не «подняло волну» в мире науки. В то время мало кого из исследователей волновало, как работает квантовая механика, – главное, чтобы она работала, то есть чтобы уравнения можно было использовать для расчетов и корректного предсказания результатов экспериментов. А уж как именно электрон или пучок электронов попадает из точки A в точку B, для инженера, конструирующего, скажем, телевизор, значения не имеет. Можно провести аналогию с той исчезающей породой автогонщиков, которых нисколько не волнует, что происходит под капотом их машин, – они просто проносятся по трассе, круг за кругом, на высокой скорости. Единственным советом, который – не без иронии – давали преподаватели студентам, желавшим все же разобраться в том, почему уравнения квантовой механики работают, был уже упомянутый мной совет «заткнуться и считать», то есть пользоваться уравнениями и не думать о том, что это все означает.
American Journal of Physics (1989)
В 1980-х такая позиция стала вызывать все больше вопросов, не в последнюю очередь из-за новых открытий, которые я опишу в главе «Шаг второй». Когда группа японских ученых под руководством Акиры Тономуры провела серию аналогичных экспериментов с использованием новых технических возможностей, их результаты, опубликованные в 1989 г., наделали куда больше шума. В 2002 г. читатели журнала Physics World назвали эксперимент по двухщелевой дифракции электрона «самым красивым физическим экспериментом».
Оставалась одна деталь, которая не устраивала ученых. В экспериментах с электронной бипризмой никакого физического барьера, подобного первому экрану в классическом двухщелевом эксперименте со светом, не существовало. Оба пути через установку, оба «канала» всегда были открыты. И в 2008 г. Поцци уже с другой группой коллег сделал следующий шаг. Ученые провели эксперимент, в котором электроны выстреливали по одному через две реальные наноразмерные физические щели в тонком экране и регистрировали с другой его стороны обычным способом. Как и ожидалось, электроны, попадающие в детектор, образовывали интерференционную картину. Когда же итальянская команда перекрыла одну щель и провела эксперимент еще раз, никакой интерференционной картины не было. Вместо нее на экране детектора образовалось простое световое пятно, расположенное непосредственно за щелью, – точно такое, какого можно было бы ожидать от потока частиц. Но откуда отдельный электрон, в одиночку проходящий через отверстие в стене, может «знать», есть ли поблизости еще одно отверстие, через которое он, в принципе, мог бы пройти, и открыто оно или закрыто, чтобы соответствующим образом поменять свою траекторию?
Следующий шаг был очевиден теоретически, но невероятно сложно реализуем на практике. Предстояло построить установку с двумя отверстиями в наномасштабе, которые можно открывать или закрывать, пока электрон еще летит. Можно ли обмануть электроны, изменив конфигурацию установки после того, как они пустились в путь? Эту сложную задачу взяла на себя группа ученых из США под руководством голландца по рождению Хермана Бателаана. Полученные результаты исследователи опубликовали в 2013 г. Я описал их эксперимент в очерке «Квантовая загадка», изданном для Kindle. Поскольку в нем приведены точные числа, я не могу улучшить это описание и приведу его здесь целиком.
Экспериментаторы проделали две прорези в силиконовой мембране с золотым покрытием. «Толщина» (или лучше сказать «тоньшина») мембраны составляла всего 100 нм, толщина золотого покрытия – 2 нм. Ширина каждой прорези составляла 62 нм, длина – 4 мкм (нанометр – это одна миллиардная доля метра, микрометр – одна миллионная). Эти параллельные прорези располагались на расстоянии 272 нм друг от друга (расстояние измерялось от центра одной прорези до центра другой). В устройстве имелось принципиально важное дополнение: автоматический механизм (с пьезоэлектрическим приводом) мог передвигать по мембране крохотную заслонку, блокируя с ее помощью ту или другую прорезь.
В ходе эксперимента через установку пролетало по одному электрону в секунду, а формирование каждой картины на экране занимало два часа. Процесс записывался на видео. В связанной серии прогонов команда исследователей наблюдала, что происходит, когда обе прорези открыты, когда одна из них закрыта и когда заслонка передвигалась, чтобы заблокировать другую прорезь. Когда обе прорези были открыты, формирующийся на экране узор, как и ожидалось, представлял собой интерференционную картину, но в обоих случаях, когда оставалась лишь одна из прорезей, ничего подобного не наблюдалось. Снова электроны «знали», сколько прорезей открыто – в довершение к остальным загадкам, выявленным (или, может быть, лучше сказать – подтвержденным) экспериментами итальянских и японских ученых. Каждый электрон, казалось, «знал» не только конфигурацию экспериментальной установки в момент своего пролета через нее, но и то, что произошло с электронами, пролетевшими до него, и с теми, что пролетят позже.
Ричард Фейнман предсказал это явление за полвека до описываемых событий. Опираясь на то, что к тому моменту было известно ученым о поведении света, и на открытие электронных волн, он поставил двухщелевой эксперимент с электронами в своем воображении. В «Лекциях по физике» Фейнман описал мысленный эксперимент, «который вам не следует пытаться провести в реальности», поскольку, «чтобы продемонстрировать эффекты, которые нас интересуют, установку для него пришлось бы делать в невозможно малом масштабе». То, что было невозможно в 1965 г., оказалось возможным в 2013-м. Это, безусловно, порадовало бы Фейнмана, который, помимо всего прочего, живо интересовался нанотехнологиями. Как объявили Бателаан и его коллеги, им удалось «полностью реализовать мысленный эксперимент Фейнмана». Их эксперимент и в самом деле обнажил центральную загадку квантового мира, «саму суть квантовой физики… одну-единственную тайну». Но никто не знает, как мир вообще может быть так устроен.
