Удивительная способность предков каждого из ныне живущих на планете людей к выживанию позволила нам с вами наслаждаться всеми благами и достижениями цивилизации. Но раз уж на то пошло и миллионы лет эволюции позволили нам познать самих себя и окружающий мир, то что за это время нам удалось узнать о Вселенной? На самом деле не так уж много – по меркам той же Вселенной мгновение. И все же, все существующие на сегодняшний день физические теории описывают мир невероятно точно. Так, и классическая физика и квантовая механика по отдельности превосходно работают. Вот только все попытки объединить их в единую теорию по-прежнему не увенчались успехом, а значит наше понимание Вселенной и реальности нельзя назвать полноценным. В начале 1900-х годов рождение квантовой физики ясно показало, что свет состоит из крошечных неделимых единиц, или квантов – энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, проведенный с одиночными фотонами или даже отдельными частицами материи, такими как электроны и нейтроны, представляет собой головоломку, поднимающую фундаментальные вопросы о самой природе реальности. Решить ее ученые не могут до сих пор.
Может ли квантовая физика являться ключом к пониманию Вселенной?
Двухщелевой эксперимент
В современной квантовой форме эксперимент Юнга включает в себя излучение отдельных частиц света или материи через две щели или отверстия, вырезанные в непрозрачном барьере. По другую сторону барьера находится экран, который регистрирует прибытие частиц (скажем, фотопластинка в случае фотонов). Исходя из здравого смысла мы ожидаем, что фотоны пройдут через ту или иную щель и начнут накапливаться за каждой из них.
Но этого не происходит. Скорее, фотоны переходят в определенные части экрана и избегают других, создавая чередующиеся полосы света и тьмы, так называемые интерференционные полосы. Они возникают, когда два набора волн накладываются друг на друга. И все же, в любой момент времени через аппарат проходит только один фотон. Как будто каждый фотон проходит через обе щели одновременно и интерферирует сам с собой. Это не имеет классического смысла. Так в чем же дело?
Двухщелевой эксперимент демонструет, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как классических волн, так и частиц.
Картина несколько проясняется, если посмотреть на нее с математической точки зрения. То, что проходит через обе щели – это не физическая частица или физическая волна, а нечто, называемое волновой функцией – абстрактная математическая функция, которая представляет состояние фотона (в данном случае его положение). Волновая функция ведет себя как волна. Фотон попадает в обе щели, и новые волны исходят из каждой щели с другой стороны, распространяются и в конечном итоге мешают друг другу. Комбинированная волновая функция может быть использована для определения вероятностей того, где можно найти фотон.
Еще больше увлекательных статей о последних открытиях в области физики и высоких технологий читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Природа реальности
Немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг интерпретировал математику так, что реальность не существует до тех пор, пока ее не наблюдают. «Идея объективного реального мира, мельчайшие части которого существуют объективно в том же смысле, в каком существуют камни или деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет … это невозможно», – писал он.
Как пишет Scientific American, американский физик Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двумя щелями, чтобы доказать, что «ни одно элементарное квантовое явление не является явлением, пока оно не является зарегистрированным (то есть «наблюдаемым») явлением».
Это интересно: Почему квантовая физика сродни магии?
Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что соотношение неопределенности возникает между любыми квантовыми наблюдаемыми, определяемыми некоммутирующими операторами.
Существуют и другие способы интерпретации эксперимента с двумя щелями. Так, лауреат Нобелевской премии по физике сэр Роджер Пенроуз предполагает, что чем больше масса объекта в суперпозиции, тем быстрее он коллапсирует в то или иное состояние из-за гравитационной нестабильности.
«Идея заключается в том, чтобы не просто поместить фотон в суперпозицию прохождения через две щели одновременно, но и поместить одну из щелей в суперпозицию нахождения в двух местах одновременно».
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2020 года.
Согласно Пенроузу, смещенная щель либо останется в суперпозиции, либо схлопнется, пока фотон находится в полете, что приведет к различным типам интерференционных картин. В общем и целом, эти эксперименты показывают, что мы пока не можем делать никаких заявлений о природе реальности. А вот о том, может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени можно узнать в этой статье.
