65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Но вдруг это лишь следствие взаимодействия электронов, летящих в одном пучке, друг с другом? Чтобы исключить это взаимное влияние, физики-экспериментаторы стали выпускать электроны по одному, не отправляя следующий электрон, пока предыдущий не врежется в экран. Каждый электрон оставляет на экране одну светлую точку (в том месте, куда он врезался), так что интерференционной картины от одной частицы, конечно же, не образуется. Но со временем, когда этих точек набирается достаточно большое количество, на экране вырисовывается довольно четкая картина чередующихся темных и светлых полос, точно такая же, как в случае, когда они летели все вместе.
Рис. Постепенное формирование интерференционной картины на экране от 10, 100, 3.000, 20.000, 70.000 электронов. [A. Tonomura, J. Endo, H. Ezawa, T. Matsuda, T. Kawasaki: Am. J. Phys. 57 (2), p. 117 (1989)]
Получается, что каждый отдельный электрон как будто бы проходил через две щели одновременно, а затем интерферировал сам с собой. Но как такое возможно? Мы же видим, что каждый электрон оставляет на экране только одну точку. Он не разваливается на части, так что и в процессе движения к экрану мы бы тоже ожидали, что он пройдет только через одну из щелей.
А что, если мы подсмотрим, через какую из щелей он на самом деле прошел? Давайте поставим за обеими щелями детектор и будем фиксировать все пролетающие электроны – тогда мы сможем точно сказать, через какую из щелей пролетел каждый электрон. И тут нас ждет удивительное открытие – как только мы поставим детектор и будем «подсматривать» за электронами, интерференционная картина мгновенно пропадает и на экране больше не будет никаких чередующихся темных и светлых полос. Получается, что электрон как будто бы «чувствует», что за ним наблюдают, и начинает вести себя уже не как волна, а как обычная частица. Почему так происходит? Неужели сам факт присутствия наблюдателя или наше сознание каким-то образом воздействует на поведение электронов? На самом деле да! Только это воздействие на 100 % физическое, материальное, и виной всему детектор. Если бы его не было и мы бы просто думали об электронах, представляли, как они летят, или даже посылали им наши мысленные импульсы (что бы это слово ни означало), но при этом никак с ними не контактировали, то наше сознание не смогло бы изменить поведение электронов. Интерференционная картина от этого не испортилась бы. Для того, чтобы они стали вести себя как частицы, требуется довольно грубое (по меркам самих электронов) воздействие. Но давайте обо всем по порядку.
Идеальное наблюдение за физической системой должно происходить без вмешательства в нее со стороны наблюдателя, т. е. экспериментатор никак не должен менять состояние предмета своего наблюдения. Иначе он будет наблюдать не саму физическую систему, какая она есть, а то, как она реагирует на это внешнее вмешательство. Наверняка каждый из вас помнит открытые уроки в школе, когда в класс приходили посторонние люди: завуч, директор или кто-то из других учителей. Такие уроки, как правило, проходят совсем не так, как обычные: учителя более тщательно готовятся к занятию, ученики пытаются более внимательно слушать учителя и вести себя тише, все хотят показать себя с лучшей стороны[69]. Это пример эффекта наблюдателя, когда поведение системы изменяет сам факт наблюдения.
Так вот, с квантовыми системами происходит нечто подобное. Но тут можно возразить: ведь чтобы узнать, через какую из щелей пролетел электрон, достаточно всего лишь на него посмотреть. Неужели это так сильно на него повлияет? Оказывается, что да! Давайте рассмотрим более подробно, как устроен процесс наблюдения. Чтобы увидеть какой-то предмет (например, яблоко), нужно этот предмет осветить, т. е. направить на него поток фотонов. Тогда эти фотоны отразятся от предмета, попадут к нам в глаз, наш мозг обработает этот сигнал, и только после этого мы сможем сказать, что что-то увидели.
И если для макроскопических объектов воздействие источника света практически не ощутимо (фотоны по сравнению с яблоком ничтожно малы, так что просто неспособны никак повлиять на его состояние), то для электрона такая «бомбардировка» не проходит бесследно, поскольку размеры и масштабы энергий фотонов и электронов вполне себе соизмеримы. Так что невозможно «просто посмотреть» на электрон, не изменив его состояния.
Обсудим теперь, как процесс наблюдения выглядит на языке волновых функций электрона. Поскольку мы точно не знаем, через какую из щелей пролетел электрон, то можно сказать, что до наблюдения электрон находится в суперпозиции сразу двух состояний[70], назовем их «электрон проходит через щель номер 1» и «электрон проходит через щель номер 2» или просто состояния «1» и «2». Именно эти два состояния (а точнее – их волновые функции) и будут интерферировать (накладываться друг на друга), образуя ту самую интерференционную картину с чередующимися темными и светлыми полосами. Однако если мы решим подсмотреть за электроном, т. е. произведем наблюдение с целью выяснить, через какую из щелей он пролетел, то неизбежно повлияем на его состояние. Так происходит потому, что в квантовом мире любое наблюдение – это довольно грубое физическое воздействие. После измерения электрон уже будет описываться не суперпозицией состояний «1» и «2», а только одной из этих двух волновых функций. В копенгагенской интерпретации квантовой механики этот процесс (когда квантовая система переходит из суперпозиции нескольких состояний в какое-то одно) называется коллапсом волновой функции. Поэтому после процедуры наблюдения от суперпозиции двух состояний осталось только одно, и волновой функции электрона больше не с чем интерферировать. А значит, на экране больше не будет никакой интерференционной картины.
Так что сознание, безусловно, способно воздействовать на материю, изменяя поведение электронов (да и вообще всех окружающих нас предметов). Но это воздействие происходит не само по себе, как только мы о чем-то подумали. Для этого приходится пользоваться «посредниками» в виде детекторов, измерительных приборов или каких-то других подручных средств. Именно контакт с этими макроскопическими предметами изменяет состояние электронов, вынуждая их вести себя иначе.
Но можно ли это воздействие сделать не таким большим, чтобы оно меняло состояние электрона не так сильно? Самое малое воздействие, которое мы можем осуществить, это посмотреть. Однако мы уже знаем, что посмотреть значит не просто воспринять входящий сигнал. Предварительно
