65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Эксперименты подтверждают наши рассуждения: пока мы облучаем электроны фотонами больших длин волн и малых энергий (которые не дают нам никакой определенности в вопросе, через какую из щелей прошел электрон), интерференционная картина сохраняется. Но при увеличении энергии фотонов и уменьшении их длины волны стройная интерференционная картина постепенно размывается. И чем точнее мы определяем, через какую из щелей пролетел электрон, тем более размытой становится интерференционная картина. Так что обхитрить природу и ее фундаментальный принцип неопределенности и тут не получается.
А что, если мы вообще никак не будем воздействовать на частицы, не станем их освещать, а заставим их самих «светиться»? Ведь чтобы что-то увидеть, можно использовать излучение самого предмета. С электронами такой эксперимент провести очень проблематично, а вот заставить «светиться» большие молекулы относительно просто. Такой эксперимент в 2004 году провела группа ученых под руководством австрийского физика Антона Цайлингера. Для исследования были выбраны молекулы фуллерена. Дело в том, что это довольно большие молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. А значит, такие молекулы можно нагреть специальным лазерным лучом и заставить испускать тепловое излучение[71]. По этому излучению при помощи температурных датчиков можно попытаться определить, через какую из щелей пролетела каждая молекула. Но и тут эффект наблюдателя проявился во всей полноте. Условно «холодные» молекулы, которые не излучали и их невозможно было четко локализовать, при прохождении через две щели, как им и положено, формировали интерференционную картину. Но стоило их только немного нагреть, чтобы они начали излучать, как интерференционная картина начинала размываться. Конечно, этот переход происходил не резко, а постепенно. Когда энергия излученных фотонов была еще не очень велика, а их длина волны достаточно большой, полосы на экране еще можно было разглядеть. Но по мере нагревания молекул полосы размывались все сильнее и сильнее. Так что к моменту, когда стало возможно по излучению молекул точно определить, через какую из щелей они прошли, интерференционная картина полностью исчезла.
Заметьте, для этого совершенно не потребовалось ставить датчики за каждой из щелей и дополнительно воздействовать на молекулы, а излучение каждой отдельно взятой молекулы можно было даже не детектировать. Просто самого факта того, что в принципе возможно определить, через какую из щелей прошла молекула, достаточно для изменения поведения частиц. Так что присутствие наблюдателя (как субъекта, который принимает сигналы от частиц) и тем более наличие у него сознания не является необходимым для того, чтобы молекулы вели себя как частицы.
Часть 5
Теория относительности
Об этом не все знают, но теорий относительности две штуки: специальная теория относительности (СТО), созданная Эйнштейном в 1905 году, и общая теория относительности (ОТО), которую Эйнштейн опубликовал еще через 10 лет напряженной и кропотливой работы, в 1915‐м. Обе они имеют парадоксальные с бытовой точки зрения следствия, и поэтому не только простым обывателям, но даже ученым начала ХХ века было трудно принять новую парадигму. А некоторые и до сих пор пытаются опровергнуть Эйнштейна, стараясь найти противоречия в его теории. Однако вся последующая история развития физики показала, что предсказания теории относительности подтверждаются с высокой степенью точности, на ее принципах работают миллионы приборов (некоторыми из которых мы пользуемся практически ежедневно[72]), а сама теория относительности легла в основу современных представлений об устройстве и эволюции всей Вселенной.
Вопрос 42. Зачем нужно было придумывать теорию относительности?
В главе «Что такое относительность?» (стр. 32) мы уже познакомились с понятием относительности с точки зрения классической механики. В частности, обсудили правило сложения скоростей, следующее из преобразований Галилея. Однако в электродинамике это правило перестает работать. Независимо от того, бежите ли вы навстречу лучу света, или убегаете от него, или просто стоите на месте, в любом случае вы сближаетесь с одной и той же скоростью – со скоростью света. С одной стороны, это теоретическое следствие из уравнений Максвелла для электромагнитных полей, с другой стороны, это экспериментальный факт, подтвержденный с большой точностью. Впервые такой эксперимент провели в 1887 году два американских физика, Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) и Эдвард Уильямс Морли (1838–1923) в Кливленде, штат Огайо, США. После этого подобные измерения многократно повторялись, и каждый раз физики фиксировали постоянство скорости света.
Выходит, что либо классическая механика неполна и нужно что-то в ней менять (чтобы получить новые формулы перехода из одной системы отсчета в другую и новое правило сложения скоростей), либо неверна классическая электродинамика и нужно отказаться от уравнений Максвелла. Либо нужно придумать какую-то новую теорию, способную «помирить» эти два раздела физики.
Эйнштейн пошел по третьему пути и создал специальную теорию относительности. В ее основу он положил всего два простых постулата:
1) Уже знакомый нам принцип относительности Галилея из классической механики[73]: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета[74]. Только теперь под законами природы понимались не только законы механики, но и все законы природы, в том числе законы электродинамики.
2) К первому принципу Эйнштейн добавил еще один постулат: скорость света должна быть всегда одной и той же во всех инерциальных системах отсчета. То есть Эйнштейн не стал объяснять, почему свет ведет себя таким странным образом, а просто постулировал такое его поведение. Он просто сказал: природа так устроена, что свет всегда распространяется с одной и той же скоростью.
И это, казалось бы, небольшое добавление к классическому принципу относительности Галилея всего одного постулата про скорость света привело к коренному пересмотру всех наших представлений о пространстве и времени, поскольку теперь не только скорость всех остальных физических объектов, но и скорость течения времени также становится относительной. Давайте разберемся, как же это проявляется.
Рассмотрим уже ставший классическим мысленный эксперимент с вагоном поезда. Представим, что внутри вагона, ровно посередине, стоит человек с фонарем. Назовем его «Первый». А другой наш
