День сурка: хроника личного бессмертия - Энтони Пик
Ученые также обнаружили, что свет делает то, что противоречит волновой теории. Одну такую загадку стали называть фотоэлектрическим эффектом. Было замечено, что свет, изливаясь на твердый предмет, «выбивает» электроны с его поверхности. В 1905 году Эйнштейн написал на эту тему статью, которая принесла ему Нобелевскую Премию по физике. У него было простое объяснение фотоэлектрического эффекта: если бы свет состоял из твердых частиц, тогда удар этих частиц выбивал бы из орбиты электроны. Эйнштейн назвал эти частицы света фотонами. Частицы не нуждаются в посреднике для того, чтобы двигаться. Они могут с легкостью пересечь вакуум, и для этого им не нужен предполагаемый эфир. Впоследствии теория Эйнштейна была доказана экспериментами. Свет в самом деле состоит из фотонов. Вскоре ученые научились вычленять отдельные фотоны и изучать их в своих экспериментах. Однако подобное волне поведение света также продолжали исследовать. Складывается впечатление, что свет состоит как из твердых частиц материи, так и из вязкой волны. Что-то нужно было исправить. Для того чтобы разобраться в этом парадоксе, ученым пришлось снова проводить эксперимент с двумя разрезами, применяя самые передовые технологии и математические расчеты. В наше время к таким методикам прибегают во многих случаях. Результаты показали, что сама реальность — гораздо более странное место, чем даже можно было вообразить.
Предположим, что один фотон ударился в препятствие с двумя разрезами. Для того чтобы выйти с другой стороны, фотон должен миновать ту или иную щель. Для определения факта прохождения столь малой частицы света, нужна сверхчувствительная фотографическая пластина, ее устанавливают с другой стороны барьера. Каждый фотон, пролетая пластину, оставляет след на фотографической пластине в виде одной белой точки. Когда с пластиной сталкиваются тысячи, а затем и миллионы фотонов, начинает проясняться вся картина. Здравый смысл подсказывает нам, что образовавшиеся два круга белого света будут совпадать с траекторией каждого фотона через выбранную им щель. На самом деле, мы снова видим явление интерференции. Каждая частица проходит через свое отверстие, но что-то смешивается с ней, когда она проходит через препятствие и формирует неожиданный паттерн интерференции. Такая ситуация наводит физиков на единственный вывод: фотон начинает движение как частица, сталкивается с препятствием также как частица, но почему-то проходит через оба разреза. При этом фотон, проходя через отверстия, интерферирует с самим собой, а затем сталкивается с фотографической пластиной вместе с подобными ему фотонами и формирует совершенное пятно света с темными полосками. Прежде всего нас удивляет, как фотон умудряется пройти через два отверстия, и еще: как он «узнает» о том, где ему разместиться на фотографической пластине. Физик Р. Байерлайн попытался ответить на первую часть этого вопроса:
Свет движется как волна, но исходит и приходит как частица.
Но свет не имеет массы и, что странно, местоположения. Световые частицы (или волны) всегда движутся со скоростью света, поэтому они должны существовать вне времени и пространства. Для того чтобы быть «в пространстве», объект должен иметь массу. У света нет массы. Для того чтобы быть во времени, объект должен двигаться через время. Однако на скорости света время расширяется до такой степени, что скорость света падает до нуля. Это означает, что свет существует в безвременном состоянии. Еще больше нас сбивает с толку то обстоятельство, что свет это просто часть электромагнитного спектра, который мы воспринимаем невооруженным глазом. Электромагнитное излучение не проявляется физически в том или ином месте, оно просто присутствует. На самом деле, вы «видите» эту страницу, потому что нечто эфемерное отражается от бумаги и попадает на сетчатку ваших глаз.
Итак, у света странная природа. Но атомы, какими бы пустыми они ни были, в конечном итоге твердые и не страдают от шизофрении света: то волна, то частица. Или здесь та же история? К нашему прискорбию, теперь электроны и атомы также считают подобными свету, то есть иногда они представляют собой твердые частицы, а иногда нефизические волны. В 1987 году ученые исследовательской лаборатории Хитачи и университета Гакусин в Токио установили, что электроны также двойственны. Возможно, это так, и все же электроны невероятно малы, и никто никогда не видел и не фотографировал их. Атомы — другое дело. Мы можем сфотографировать более крупные атомы, поэтому они предстают перед нами подлинно «твердыми». Сложившаяся картина действительности впервые дала трещину в начале 1990-х годов, когда ученые германского университета Констанца доказали, что атомы также движутся как волна, а достигают пластины как частица. Затем невозможное (на первый взгляд) открытие было сделано в 1999 году Зайлингером в университете Вены. Он показал, что сферическая «клетка», построенная из шестидесяти атомов углерода, может пройти одновременно через два параллельных разреза.
Что же все это означает? Мало того, что стул, на котором вы, возможно, сейчас сидите, состоит из огромных пустых пространств, но и вся его твердость зависит от того, решили атомы быть твердыми частицами или нетвердыми волнами. Что же подтолкнуло атомы сделать свой выбор? Ответ прост, но ужасен. Переводит атом из состояния нефизической волны в состояние твердой материальной точки именно наш ум, обрабатывая нервный сигнал, поступивший от ягодиц. Вы воспринимаете материю сознанием, тем самым проявляя ее физически.
Недавние исследования еще больше сбивают нас с толку. Они показали, что двойственную природу имеют не только атомы, но и молекулы. Атомы и молекулы представляют собой строительные кирпичики всего, что мы воспринимаем, начиная стулом, на котором вы, по всей вероятности, сейчас сидите, и заканчивая бумагой, на которой напечатаны эти слова. По сути, вы сами созданы из триллионов этих шизофренических частиц. Отсюда вопрос: если они демонстрируют столь странное поведение, тогда почему мы вообще воспринимаем твердые объекты, которые подчиняются законам классической физики? Какое чудо позволяет индивидуальному безумию стать коллективным здравомыслием? Согласно общепринятой точки зрения современных физиков, именно наблюдение за этими частицами побуждает их к соответствующему поведению.
Это умозаключение в народе стали называть «копенгагенским толкованием», поскольку пионеры квантовой теории жили в датской столице. Группа увлеченных своим делом ученых под предводительством Нильса Бора предположила, что мы, воспринимая эти частицы, подталкиваем их к решению о том, в каком месте им следует расположиться. Не успели вы охватить их взором, как они уже равномерно расположились в «волне вероятности», причем в обоих местах. В один миг наблюдения частицы принуждаются выбрать одно положение, исключив все остальные потенциальные положения.
Согласно Копенгагенскому Толкованию, частицы могут пройти через оба разреза в стене, когда за
