Стивен Хокинг - Высший замысел
Однако корпускулярная теория не могла объяснить явление, которое было обнаружено самим же Ньютоном и называется сегодня кольцами Ньютона. Поместите линзу на плоскую отражающую пластину и осветите ее монохромным светом, например от натриевой лампы. Глядя сверху вниз, вы увидите чередование светлых и темных колец с центром в точке соприкосновения линзы с поверхностью пластины. Этому явлению трудно дать объяснение в рамках корпускулярной теории света, но его можно объяснить с помощью волновой теории.
Рефракция. Ньютонова модель света могла объяснить, почему свет преломляется, переходя из одной среды в другую, но не давала объяснения явлению, которое теперь мы называем кольцами Ньютона.
Согласно волновой теории света, светлые и темные кольца вызваны явлением, которое называется интерференцией. Световые волны, так же как волны на воде, состоят из чередующихся гребней и впадин. Если при столкновении волн эти гребни и впадины совпадают, то они усиливают друг друга, образуя более крупную волну. Это называется конструктивной интерференцией. В таком случае говорят, что волны находятся в фазе. В противоположном случае, когда при встрече волн гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волны гасят друг друга, и тогда говорят, что волны находятся в противофазе. Такое явление называется деструктивной интерференцией.
В кольцах Ньютона яркие кольца располагаются на таких расстояниях от центра, где промежуток между линзой и находящейся под ней отражающей поверхностью равен целому числу (1, 2, 3…) длин волн. Это означает, что волна, отраженная от линзы, совпадет с волной, отраженной от пластины, создавая конструктивную интерференцию. Темные кольца, в свою очередь, располагаются на таких расстояниях от центра, где промежуток между двумя отраженными волнами равен половинам целых длин волн (1/2, 3/2, 5/2…), что создает деструктивную интерференцию: волна, отраженная от линзы, гасит волну, отраженную от пластины.
В XIX веке это было воспринято как подтверждение волновой теории света и как свидетельство того, что корпускулярная теория неверна. Однако в начале XX века Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (теперь используемый в телевидении и цифровых фотоаппаратах) может быть объяснен тем, что частица, или квант света, ударяет по атому и выбивает из него электрон. Таким образом, свет ведет себя и как частица, и как волна.
Концепция волн, вероятно, пришла человеку в голову потому, что люди бросают в океан или в лужу камешки и наблюдают за тем, что происходит на поверхности воды. Действительно, если вы когда-нибудь бросали в лужу сразу два камешка, то, вероятно, видели интерференцию в действии, как на иллюстрации ниже. Подобные явления наблюдались и в других жидкостях, за исключением, пожалуй, вина, если выпито его слишком много. Идея о частицах была знакома по камням, гальке и песку. Но вот двойственность (волна-частица) — мысль о том, что объект может быть описан и как частица, и как волна, — чужда нашему повседневному опыту, подобно мысли о том, что можно выпить кусок камня.
Интерференция. Волны при встрече могут усилить или ослабить друг друга.
Подобные двойственности — ситуации, когда две разные теории точно описывают одно и то же явление, — вполне укладываются в рамки моделезависимого реализма. Каждая теория может описывать и объяснять определенные свойства, и ни об одной теории нельзя сказать, что она лучше или реальнее другой. Кажется, законы, управляющие Вселенной, похожи на это. Пожалуй, нет единой математической модели, или теории, которая могла бы описать Вселенную во всех ее проявлениях. Напротив, как уже упоминалось в главе 1, похоже, существует совокупность теорий, объединенных в так называемую М-теорию. Каждая теория этой системы пригодна для описания явлений в определенных границах. Там, где их границы перекрываются, разные теории этой системы согласуются друг с другом, так что о всех них можно сказать, что это части одной и той же теории. Но ни одна из теорий этой системы не может описать Вселенную во всех ее аспектах — все фундаментальные взаимодействия (силы) в природе, частицы, на которые воздействуют эти силы, и пространственно-временные рамки, в которых все это теряет смысл. Хотя такая ситуация не исполняет мечту традиционных физиков о единой объединенной теории, она приемлема в рамках моделезависимого реализма.
Интерференция в луже. Явление интерференции можно повседневно наблюдать в любых водоемах — от лужи до океана.
Мы еще обсудим двойственность и М-теорию в главе 5, но прежде вернемся к фундаментальному принципу, на котором базируется современный взгляд на природу квантовой теории, и, в частности, к тому подходу к квантовой теории, который называется «альтернативные истории». С этой точки зрения Вселенная имеет не единственное существование, или историю, а все возможные версии Вселенной существуют одновременно в так называемом квантовом наложении, квантовой суперпозиции. Это может показаться столь же странным, как пример со столом, который исчезает, когда мы выходим из комнаты, но в отношении этого случая следует сказать, что квантовая теория выдержала все экспериментальные проверки, которым когда-либо подвергалась.
4 Альтернативные истории
В 1999 году группа австрийских физиков провела эксперимент по обстрелу некой преграды серией молекул, структура которых напоминает рисунок на поверхности футбольного мяча. Эти молекулы, из шестидесяти атомов углерода каждая, иногда называют бакиболами или фуллеренами — в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера (1895–1983), который строил здания подобной конструкции. Так называемые геодезические купола Фуллера представляют собой, пожалуй, крупнейшие объекты со структурой футбольного мяча. Бакиболы же — наименьшие из таких объектов. В преграде, на которую ученые их направили, имелось две щели, сквозь которые бакиболы могли пролететь. Позади преграды физики расположили своего рода экран для обнаружения и подсчета проскочивших молекул.
Бакиболы. Бакиболы похожи на микроскопические футбольные мячи, состоящие из атомов углерода.
Если мы поставим аналогичный эксперимент с настоящими футбольными мячами, нам понадобится игрок — не особенно меткий, но способный весьма продолжительное время бить по возникающим перед ним мячам с заданной нами скоростью. Мы расположим этого игрока перед преградой — стенкой, в которой имеется два вертикальных проема. Позади стенки (параллельно ей) натянем очень длинную сетку. Большинство посланных игроком мячей попадет в преграду и отскочит обратно, но некоторые пролетят сквозь тот или другой проем и попадут в сетку. Если проемы будут лишь чуточку больше мяча, то по другую сторону стенки-преграды возникнут два строго параллельных потока. Если же проемы немного расширить, каждый из потоков будет слегка расходиться (см. ил., с. 72).
Футбол через стенку-преграду с двумя проемами. Когда футболист посылает мячи через проемы в стенке, мы можем наблюдать обычную картину.
Если мы закроем один из проемов, то соответствующий ему поток мячей не сможет пролетать через преграду, однако это никак не повлияет на другой поток. Если мы снова откроем тот проем, который был закрыт, это лишь увеличит число мячей, приземлившихся в любой избранной точке по другую сторону стенки, поскольку это будут все мячи, прошедшие через остававшийся открытым проем, плюс другие мячи, прошедшие через вновь открытый проем. Иными словами, если одновременно открыть два проема, мы увидим сумму тех мячей, которая появилась бы за преградой в том случае, когда мы открывали бы поочередно каждый из проемов. Такова реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни. Совсем иную картину увидели австрийские исследователи, когда вели обстрел своими молекулами.
В австрийском эксперименте открытие второго проема действительно увеличивало число молекул, попадавших на определенный участок экрана, но при этом уменьшало их число на другом участке (см. ил., с. 73).
Бакибольный футбол через двухщелевую преграду. Когда молекулы-«мячи» пролетают сквозь щели, на экране появляется узор, соответствующий какому-то квантовому закону.
Фактически были точки, куда бакиболы вообще не попадали, когда были открыты обе щели, но они попадали туда, если открытой оставалась лишь одна из щелей. Это должно выглядеть весьма странным. Как может открытие второй щели уменьшить число молекул, попадающих в определенную точку?
Чтобы получить ключ к ответу, изучим всё детально. В этом эксперименте многие из молекулярных «мячей» попали в пятно, центр которого располагался на полпути между теми местами, куда можно было ожидать попадания мячей, пролетевших через ту и другую щели. В места, расположенные чуть дальше от этой центральной точки, попадало очень мало молекул, но еще чуть дальше снова наблюдалось скопление молекул, прошедших через щель. Этот узор не является суммой узоров, полученных, когда каждая щель открывалась отдельно, но он напоминает картину, характерную для интерферирующих волн, показанную на иллюстрации в главе 3. Участки, куда молекулы не попадали, соответствуют областям, в которые волны, исходящие из двух щелей, приходили в противофазе и создавали деструктивную интерференцию; участки же, куда попадало много молекул, соответствовали областям, которых волны достигали в одинаковой фазе и создавали конструктивную интерференцию.
