Научное объяснение опыта юнга с двумя щелями. Эксперимент с двойной щелью: создает ли сознание реальность? Квантовая механика и сознание

Группа экспериментаторов, возглавляемая известным физиком Робертом Бойдом (который, в частности, был первым, кто осуществил «замедление света» при комнатной температуре), придумала и реализовала схему, демонстрирующую вклад так называемых «неклассических» траекторий в картину, получаемую при интерференции фотонов на трёх щелях.

Интерференция на двух щелях - это классический эксперимент, демонстрирующий волновые свойства света. Впервые он был осуществлён в самом начале XIX века Томасом Юнгом, и стал одной из главных причин отказа от доминирующей тогда корпускулярной теории света.

В начале XX века, однако, было выяснено, что свет всё же состоит из частиц, получивших название фотонов, но эти частицы загадочным образом обладают и волновыми свойствами. Возникла концепция корпускулярно-волнового дуализма, которая была распространена также и на частицы материи. В частности, наличие волновых свойств было обнаружено у электронов, а позднее и у атомов и молекул.

В новом разделе физики, возникшем в результате, - квантовой механике - возникновение интерферометрической картины в эксперименте с двумя щелями играет одну из центральных ролей. Так, Ричард Фейнман в своих «Фейнмановских лекциях по физике» пишет, что это явление, «которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится самая суть квантовой механики.»

Эксперимент с двумя щелями демонстрирует одно из центральных понятий квантовой физики - квантовую суперпозицию. Принцип квантовой суперпозиции утверждает, что если некий квантовый объект (например, фотон или электрон) может находиться в неком состоянии 1 и в неком состоянии 2, то он может находиться и в состоянии, которое является в некотором смысле частично и состоянием 1, и состоянием 2, это состояние и называется суперпозицией состояний 1 и 2. В случае с щелями частица может пройти через одну щель, а может через другую, но если обе щели открыты, то частица проходит через обе и оказывается в состоянии суперпозиции «частицы, прошедшей через щель 1» и «частицы, прошедшей через щель 2».

Кроме того, учёт неклассических траекторий важен для ещё одного направления в современной фундаментальной физики. Одна из главных нерешённых проблем, стоящих перед учёными, - это объединение квантовой теории с теорией гравитации. Существуют принципиальные сложности на этом пути, которые, как считают многие, можно преодолеть только видоизменив или одну из этих теорий, или сразу обе. Поэтому сейчас идут поиски возможных расхождений реальности с предсказаниями этих теорий. Одним из направлений является поиск отклонений от принципа квантовой суперпозиции. Так, например, в 2010 году было опубликовано исследование, в котором пытались найти такие отклонения в трёхщелевом эксперименте . Никаких расхождений не обнаружили, но эта статья спровоцировала упоминавшуюся выше работу 2012 года. Один из её выводов заключался как раз в том, что в эксперименте 2010 года было использовано неправильное понимание принципа квантовой суперпозиции, и это внесло свою долю неучтённой ошибки в измерения. И хотя величина этой ошибки и мала, но и эффект, который ищут учёные, тоже может быть невелик, поэтому в таких поисках вклад неклассических траекторий следует всё же учитывать.

Статья была написана для проекта

Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.

Кот Шредингера

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.

По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.

У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.

Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.

Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.

Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.

Дифракция электронов

По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?

Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.

В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.

При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).

Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.

Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.

Нагретый фуллерен

Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.

Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.

Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.

В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.

Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.

Замирающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.

Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).

Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.

Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?

Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.

Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».

Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.

• квантовый объект (вроде электрона) может быть более чем в одном месте в одно время. Он может быть измерен как волна, размазанная в пространстве, и может располагаться в нескольких различных точках по всей волне. Это называется свойство волны.
• квантовый объект перестает существовать здесь и спонтанно возникает там без перемещения в пространстве. Это известно как квантовый переход. По сути это телепорт.
• проявление одного квантового объекта, вызванное нашими наблюдениями, спонтанно влияет на связанный с ним объект-близнец, вне зависимости от того, как далеко тот находится. Выбейте электрон и протон из атома. Что бы ни случилось с электроном, то же произойдет с протоном. Это называется «квантовое действие на расстоянии».
• квантовый объект не может проявиться в обычном пространстве-времени, пока мы не будем наблюдать его как частицу. Сознание разрушает волновую функцию частицы.

Последний пункт интересен тем, что без осознанного наблюдателя, который заставляет волну коллапсировать, она будет оставаться без физического проявления. Наблюдение не только беспокоит измеряемый объект, оно вызывает эффект. Это было проверено так называемым двухщелевым экспериментом, когда присутствие сознательного наблюдателя изменяет поведение электрона, превращая его из волны в частицу. Так называемый эффект наблюдателя полностью потрясает то, что мы знаем о реальном мире. Вот, кстати, мультфильм, в котором все наглядно показано.

Как отмечал ученый Дин Радин, «мы заставляем электрон занимать определенную позицию. Мы сами производим результаты измерения». Теперь же полагают, что «это не мы измеряем электрон, а машина, которая стоит за наблюдением». Но машина просто дополняет наше сознание. Это все равно что сказать «это не я смотрю на того, кто переплывает озеро, это бинокль». Машина сама по себе видит не больше, чем компьютер, который может «слушать» песни, интерпретируя звуковой сигнал.

Некоторые ученые предполагают, что без сознания вселенная будет существовать неопределенно, как море квантового потенциала. Другими словами, физическая реальность не может существовать без субъективности. Без сознания нет физической материи. Это замечание известно как « », и его впервые вывел физик Джон Уилер. По сути, любая возможная вселенная, которую мы можем представить без сознательного наблюдателя, уже будет с ним. Сознание представляет собой основу бытия в таком случае и существовало, возможно, до возникновения физической вселенной. Сознание буквально создает физический мир.

Эти выводы гарантируют огромные последствия тому, как мы понимаем свою взаимосвязь с внешним миром, и какого рода отношения могут быть у нас со Вселенной. Как живые существа, мы обладаем прямым доступом ко всему сущему и фундаменту всего физически существующего. Это нам позволяет сознание. «Мы создаем реальность» означает в данном контексте то, что наши мысли создают перспективу того, что мы есть в нашем мире, но если разобраться, нам важно точное понимание этого процесса. Мы порождаем физическую вселенную своей субъективностью. Ткань вселенной - это сознание, а мы - просто рябь на море вселенной. Получается, нам повезло испытать чудо такой жизни, а Вселенная продолжает вливать в нас часть своего самосознания.

«Я считаю сознание фундаментальным. Я считаю материю производным от сознания. Мы не можем оставаться без сознания. Все, о чем мы говорим, все, что мы видим как существующее, постулирует сознание». - Макс Планк, лауреат Нобелевской премии и пионер квантовой теории.

Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] Пенроуз Роджер

Эксперимент с двумя щелями

Эксперимент с двумя щелями

Рассмотрим «архетипичный» квантовомеханический эксперимент, в котором пучок электронов, света или любых других «волн-частиц» направляется сквозь две узкие щели на расположенный позади них экран (рис. 6.3).

Рис. 6.З. Эксперимент с двумя щелями и монохроматическим светом (Обозначения на рисунке: S (англ. sourse ) - источник, t (англ. top ) - верхняя [щель], b (англ. bottom ) - нижняя [щель]. - Прим. ред .)

Для большей конкретности выберем свет и условимся называть квант света «фотоном» согласно принятой терминологии. Наиболее очевидное проявление света как потока частиц (фотонов) наблюдается на экране. Свет достигает экрана в виде дискретных точечных порций энергии, которые всегда связаны с частотой света формулой Планка: Е = hv . Энергия никогда не передается в виде «половинки» (или иной доли) фотона. Регистрация фотонов представляет собой явление типа «все или ничего». Всегда наблюдается только целое число фотонов.

Но при прохождении через две щели фотоны обнаруживают волновое поведение. Предположим, что сначала открыта только одна щель (а вторая - наглухо закрыта). Пройдя через эту щель, пучок света «рассеивается» (это явление называется дифракцией и является характерным для распространения волн). Пока еще можно придерживаться корпускулярной точки зрения и считать, что расширение пучка обусловлено влиянием краев щели, заставляющем фотоны отклоняться на случайную величину в обе стороны. Когда свет, проходящий через щель, обладает достаточной интенсивностью (число фотонов велико), то освещенность экрана кажется равномерной. Но если интенсивность света уменьшить, то можно с уверенностью утверждать, что освещенность экрана распадется на отдельные пятна - в согласии с корпускулярной теорией. Яркие пятна располагаются там, где отдельные фотоны достигают экрана. Кажущееся равномерным распределение освещенности представляет собой статистический эффект, обусловленный очень большим числом участвующих в явлении фотонов (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Картина распределения интенсивности на экране, когда открыта только одна щель: наблюдается распределение дискретных крохотных пятнышек

(Для сравнения, 60-ваттная электрическая лампа излучает около 100 000 000 000 000 000 000 фотонов в секунду!) При прохождении через щель фотоны действительно отклоняются случайным образом. Причем отклонения на различные углы имеют различные вероятности, что и порождает наблюдаемое распределение освещенности на экране.

Но главная трудность для корпускулярной картины возникает, когда мы открываем вторую щель! Предположим, что свет излучается желтой натриевой лампой, это значит, что он имеет чистый цвет без примеси, или, если воспользоваться физическим термином, свет монохроматический , т. е. имеет одну определенную частоту, или, на языке корпускулярной картины, все фотоны имеют одну и ту же энергию. Длина волны в данном случае составляет около 5 х 10 -7 м. Предположим, что щели имеют в ширину около 0,001 мм и отстоят друг от друга на расстояние около 0,15 мм, а экран находится от них на расстоянии около 1 м. При достаточно большой интенсивности света распределение освещенности все еще выглядит равномерным, но теперь в нем имеется некое подобие волнообразности , называемое интерференционной картиной - на экране примерно в 3 мм от центра наблюдаются полосы (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Картина распределения интенсивности, когда открыты обе щели: наблюдается волнообразное распределение дискретных пятнышек

Открывая вторую щель, мы надеялись увидеть вдвое бо?льшую освещенность экрана (и это, действительно, было бы верно, если рассматривать полную освещенность экрана). Но оказалось, что теперь детальная картина освещенности полностью отлична от той, которая имела место при одной открытой щели. В тех точках экрана, где освещенность максимальна, его интенсивность оказывается не в два , а в четыре раза больше той, что была прежде. В других же точках, где освещенность минимальна, - интенсивность падает до нуля. Точки с нулевой интенсивностью, возможно, и представляют наибольшую загадку для корпускулярной точки зрения. Это те точки, которых фотон мог бы благополучно достичь, если бы открыта была только одна щель. Теперь же, когда мы открыли и вторую щель, неожиданно оказалось, что нечто помешало фотону попасть туда, куда он мог бы попасть прежде. Как могло случиться, что, предоставив фотону альтернативный маршрут, мы в действительности воспрепятствовали его прохождению по любому из маршрутов?

Если в качестве «размера» фотона принять длину его волны, то в масштабе фотона вторая щель находится от первой на расстоянии около 300 «размеров фотона» (а ширина каждой щели составляет около двух длин волн фотона) (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Щели «с точки зрения» фотона! Разве может быть важно фотону, открыта или закрыта вторая щель, находящаяся на расстоянии около 300 «размеров фотона»?

Каким образом фотон, проходя через одну из щелей, «узнает» о том, открыта или закрыта другая щель? На самом деле, в принципе не существует предела для расстояния, на которое могут быть разнесены щели, для того, чтобы произошло явление «гашения или усиления».

Создается впечатление, что когда свет проходит через одну или две щели, он ведет себя как волна , а не как корпускула (частица)! Такое гашение - деструктивная интерференция - хорошо известное свойство обычных волн. Если каждый из двух маршрутов порознь может быть пройден волной, то когда для нее открыты оба маршрута, может оказаться, что они взаимно погасят друг друга. На рис. 6.7 показано, как это происходит.

Рис. 6.7. Чисто волновая картина позволяет нам осмыслить распределение светлых и темных полос на экране (но не дискретность) на языке интерференции волн

Когда какая-то часть волны, пройдя через одну из щелей, встречает часть волны, прошедшую через другую щель, то они усиливают друг друга, если находятся «в фазе» (т. е. если встречаются два гребня или две впадины), или гасят друг друга, если они находятся «в противофазе» (т. е. гребень одной части встречается с впадиной другой). В эксперименте с двумя щелями яркие места на экране возникают там, где расстояния до щелей отличаются на целое число длин волн так, что гребни приходятся на гребни, а впадины - на впадины, а темные места возникают там, где разность этих расстояний равна полуцелому числу длин волн так, что гребни встречаются с впадинами, а впадины - с гребнями.

Нет ничего загадочного в поведении обычной макроскопической классической волны, проходящей одновременно через две щели. Волна в конечном счете представляет собой всего лишь «возмущение» либо некоторой непрерывной среды (поля), либо некоторого вещества, состоящего из мириад крохотных точечных частиц. Возмущение может частично пройти через одну щель, частично через другую щель. Но в корпускулярной картине ситуация иная: каждый отдельный фотон сам по себе ведет себя, как волна! В некотором смысле каждая частица проходит сразу через обе щели и интерферирует сама с собой ! Ибо, если значительно уменьшить полную интенсивность света, то можно гарантировать, что вблизи щелей будет находиться не более одного фотона одновременно. Явление деструктивной интерференции, когда два альтернативных маршрута каким-то образом «ухитряются» исключить друг друга из числа реализованных возможностей, есть нечто, применимое к одному фотону. Если для фотона открыт только один из двух маршрутов, то фотон может пройти по нему. Если открыт другой маршрут, то фотон может пройти второй вместо первого маршрута. Но если перед фотоном открыты оба маршрута, то эти две возможности чудесным образом исключают друг друга, и оказывается, что фотон не может пройти ни по одному из маршрутов!

Настоятельно советую читателю остановиться и вдуматься в смысл этого необычного факта. Дело не в том, что свет ведет себя в одних случаях как волны, а в других как частицы. Каждая частица в отдельности сама по себе ведет себя, как волна; и различные альтернативные возможности, открывающиеся перед частицей, иногда могут полностью уничтожать друг друга!

Действительно ли фотон расщепляется на два и частично проходит через одну щель, а частично - через другую? Большинство физиков будут возражать против такой постановки вопроса. По их мнению оба маршрута, открытых перед частицей, должны вносить вклад в конечный результат, они - всего лишь дополнительные способы движения, и не следует думать, будто частица должна расщепиться на две, чтобы пройти через щели. В подтверждение той точки зрения, что частица не проходит частично через одну щель и частично - через другую, можно рассмотреть видоизмененную ситуацию, в которой около одной из щелей помещен детектор частиц . В этом случае фотон (или любая другая частица) всегда появляется как единое целое, а не как некоторая доля целого: ведь наш детектор регистрирует либо целый фотон, либо полное отсутствие фотонов. Однако, если детектор расположен достаточно близко к одной из щелей, чтобы наблюдатель мог различить , через какую из них прошел фотон, то интерференционная картина на экране исчезает. Для того, чтобы имела место интерференция, по-видимому, необходимо «отсутствие знания» относительно того, через какую из щелей «действительно» прошла частица.

Чтобы получить интерференцию, обе альтернативы должны дать свой вклад, иногда «суммируясь», усиливая друг друга в два раза больше, чем можно было бы ожидать, а иногда «вычитаясь», чтобы загадочным образом погасить друг друга. Фактически же согласно правилам квантовой механики в действительности происходит нечто еще более загадочное! Конечно, альтернативы могут суммироваться (самые яркие точки на экране), альтернативы могут вычитаться (темные точки), но они также могут образовывать и такие странные комбинации, как:

альтернатива А + i х альтернатива В ,

где i - «квадратный корень из минус единицы» (i = ? -1 ), с которым мы уже встречались в главе 3 (в точках на экране с промежуточной интенсивностью освещенности). В сущности любое комплексное число может играть роль коэффициента в «комбинации альтернатив»!

Возможно, читатель уже вспомнил высказанное мной в главе 3 предупреждение о том, что комплексные числа играют «абсолютно фундаментальную роль в структуре квантовой механики». Комплексные числа - не просто математические диковинки. Физиков вынудили обратить на них внимание убедительные и неожиданные экспериментальные факты. Чтобы понять квантовую механику, мы должны поближе познакомиться с языком комплекснозначных весовых коэффициентов. Давайте же рассмотрим, к каким это приводит последствиям.

Из книги Капитал автора Маркс Карл

III. ОБМЕН МЕЖДУ ДВУМЯ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯМИ: I (v+ т)НА II с Мы начинаем с крупного обмена между двумя подразделениями. (1 000v +1 000m.) I – эти стоимости, которые в руках своих производителей существуют в натуральной форме средств производства, обмениваются на 2 000 IIc, на стоимости,

Из книги НИЧЕГО ОБЫЧНОГО автора Миллмэн Дэн

ВЫБОР МЕЖДУ ДВУМЯ МИРАМИ В течение дня наша осознанность мечется между двумя мирами, и лишь один из них является достоверной реальностью.Первый мир можно назвать объективным; он включает в себя то, что существует или происходит - но ничего сверх этого. К примеру, я

Из книги Капитал автора Маркс Карл

III. Обмен между двумя подразделениями: I (v+ т)на II с Мы начинаем с крупного обмена между двумя подразделениями. (1 000v +1 000m.) I – эти стоимости, которые в руках своих производителей существуют в натуральной форме средств производства, обмениваются на 2 000 IIc, на стоимости,

Из книги На пути к сверхобществу автора Зиновьев Александр Александрович

МЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В сфере социальных исследований затруднен и, как правило, вообще исключен лабораторный эксперимент в том виде, в каком он применяется в других эмпирических (опытных) науках. Его место тут занимает мысленный эксперимент. Он осуществляется как

Из книги Нищета историцизма автора Поппер Карл Раймунд

2. Эксперимент Метод эксперимента состоит в том, чтобы установить искусственный контроль и искусственную изоляцию, обеспечивая тем самым воспроизведение сходных условий и следующих из них определенных результатов. Он основан на той идее, что в результате сходных

Из книги Счастливее Бога: Превратим обычную жизнь в необыкновенное приключение автора Уолш Нил Дональд

Глава 8 Инструмент с двумя рукоятками Поскольку все больше людей во всем мире всерьез рассматривают возможность того, что они обладают способностью целенаправленно творить такую реальность, какую они выберут, я полагаю, будет исключительно благотворно сделать глубокий

Из книги Социальная философия автора Крапивенский Соломон Элиазарович

Социальный эксперимент Если наблюдение является по своему существу созерцающим, то в эксперименте рельефно вырисовывается его активный, преобразующий характер. В эксперименте мы вмешиваемся в естественный ход событий. Воспользуемся тем определением эксперимента,

Из книги Командующее Я автора Шах Идрис

ЗНАНИЕ ИЛИ ЭКСПЕРИМЕНТ? Вклад суфиев в реализацию человеческих возможностей зависит от того, понимают ли люди необходимость устранить барьеры, препятствующие пониманию.Главное препятствие проявляется здесь в том, что люди принимают желаемое за действительное и

Из книги Том 24 автора Энгельс Фридрих

III. Обмен между двумя подразделениями: I (v + т) НА II с{127}Мы начинаем с крупного обмена между двумя подразделениями. (1000v + 1000m) I - эти стоимости, которые в руках своих производителей существуют в натуральной форме средств производства, обмениваются на 2000 IIc, на стоимости,

Из книги Философские сказки автора Фламмарион Камиль

Первая сказка. ДИАЛОГ МЕЖДУ ДВУМЯ АКАДЕМИКАМИ И ДВУМЯ НАВОЗНЫМИ ЖУКАМИ В швейцарской деревушке, окруженной зеленеющими пастбищами, встретились однажды два академика. Один из них был членом академии нравственных наук, а другой - членом академии физических наук

Из книги Интеллектуальные уловки. Критика современной философии постмодерна [с послесловием Д. Кралечкина] автора Брикмон Жан

Во имя настоящего диалога между «двумя культурами» Наша эпоха, кажется, проходит под знаком междисциплинарности. Нельзя не учитывать преимущества контакта между различными видами знания, несмотря на вызывающую беспокойство утрату точности, связанной с исчезновением

Из книги Жемчужины мудрости: притчи, истории, наставления автора Евтихов Олег Владимирович

СЧАСТЬЕ С ДВУМЯ ЖЕНАМИ Однажды Саид заглянул на обед в кафе и встретил там старого приятеля. Разговорившись за чашечкой кофе и с наслаждением покуривая кальян, старый приятель стал рассказывать о своей жизни.– Какое это счастье – иметь двух жен! – говорил он и очень

Из книги Философский словарь автора Конт-Спонвиль Андре

Эксперимент (Exp?rimentation) Активный, обдуманный опыт; стремление не столько слышать реальную действительность (опыт) и даже не столько вслушиваться в нее (наблюдение), сколько пытаться задавать ей вопросы. Существует особое понятие научного опыта, который обычно ставит своей

Из книги Квантовый ум [Грань между физикой и психологией] автора Минделл Арнольд

14. Двухщелевой эксперимент Всякий, кого не потрясает квантовая теория, просто ее не понял. Нильс Бор Чтобы далее углубиться в изучение того, где сознание входит в физику, мы сперва отвлечемся на рассмотрение природы квантовых объектов. Затем мы вернемся к нашей

Из книги автора

Двухщелевой эксперимент Давайте теперь рассмотрим двухщелевой эксперимент, который наиболее ясно показывает природу всех квантовых объектов. Представьте себе обычную квадратную комнату, посреди которой установлена перегородка. Электроны из электронной пушки будут

Из книги автора

Эксперимент Белла Эксперимент, демонстрирующий квантовую сцепленность или взаимосвязанность, иногда называют «единством мира» или экспериментом Белла. Этот эксперимент показал, что фотоны от данного источника света взаимосвязаны.Подобно всем другим квантовым

> Эксперимент с двойной щелью Юнга

Изучите опыт Юнга с щелями . Читайте, какое расстояние между щелями в опыте Юнга, ширина полосы и два отверстия, характеристика света как волны, эксперимент.

В своем эксперименте Томас Юнг показал, что вещество и энергия способны показывать характеристики волн и частиц.

Задача обучения

• Понять, почему эксперимент Юнга кажется правдоподобнее выражений Гюйгенса.

Основные пункты

• Волновые характеристики приводят к тому, что проходящий сквозь щель свет мешает себе, формируя светлые и темные участки.
• Если волны мешают в гребнях, но сходятся по фазе, то сталкиваемся с конструктивными помехами. Если волны полностью не совпадают, то это разрушительные помехи.
• У каждой точки на стене есть разная дистанция к щели. Этим путям соответствует разное количество волн.

Термины

• Разрушительные помехи – волны мешают и не соответствуют друг другу.
• Конструктивные помехи – волны мешают в гребнях, но совпадают по фазе.

В эксперименте с двойной щелью видно, что вещество и энергия способны вести себя как волны или частицы. В 1628 году Кристиан Гюйгенгс доказал, что свет выступает волной. Но некоторые люди не соглашались, особенно Исаак Ньютон. Он полагал, что для объяснения потребуются цветные интерференционные и дифракционные эффекты. До 1801 года никто не верил, что свет – волна, пока не появился Томас Юнг со своим экспериментом с двойной щелью - опыт Юнга. Он сделал две близко поставленных вертикальных щели (примерное расстояние между щелями в опыте Юнга можно увидеть на нижней схеме) и пустил сквозь них свет, наблюдая за созданным на стене узором.

Свет проходит сквозь две вертикальных щели и дифрагируется в виде двух вертикальных линий, расположенных горизонтально. Если бы не дифракция и интерференция, то свет просто создал две линии

Двойственность волновых частичек

Из-за волновых характеристик свет проходит сквозь щели и сталкивается, формируя светлые и темные регионы на стене. Он рассеивается и поглощается стеной, приобретая черты частиц.

Эксперимент Юнга

Почему опыт Юнга с двумя щелями всех убедил? Гюйгенс оказался изначально прав, но ему не удавалось показать на практике свои выводы. Свет обладает относительно короткими длинами волн, поэтому для демонстрации обязан контактировать с чем-то небольшим.

В примере используется два когерентных световых источника с одной монохроматической длиной волны (в единой фазе). То есть, два источника будут создавать конструктивные или деструктивные помехи.

Конструктивные и деструктивные помехи

Конструктивные помехи появляются, если волны мешают по гребням, но совпадают в фазе. Это будет усиливать результирующую волну. Деструктивные мешают друг другу полностью и не совпадают, что отменяет волну.

Две щели формируют два когерентных волновых источника, мешающих друг другу. (а) – Свет рассеивается от каждой щели, из-за их узости. Волны перекрываются и мешают конструктивно (яркие линии) и деструктивно (темные участки). (b) – Узор двойной щели для водных волн практически совпадает со световыми. Наибольшая активность заметна на участках с деструктивными помехами. (с) – При попадании света на экран, мы сталкиваемся с подобным шаблоном

Волновые амплитуды складываются. (а) – Чистая конструктивная помеха возможна, если одинаковые волны сходятся по фазе. (b) – Чистая деструктивная помеха – одинаковые волны точно не сходятся по фазе

Созданный узор не будет случайным. Каждая щель расположена на определенной дистанции. Все волны начинаются с одной фазы, но дистанция от точки на стене к щели создает тип помехи.