В конце XIX века физика пришла квесьма неутешительному выводу:оказалось, что с позицийклассической механики невозможнообъяснить закон излучениянагретого тела. Все попыткипостроить теорию излученияприводили к вопиющему противоречиюс опытом. Учтя все эти тяжелыенеудачи теоретиков, немецкий физикМакс Планк решил ограничитьсяболее скромной задачей: собравданные экспериментов, свести их водну эмпирическую формулу, и ужепотом попытаться ее осмыслитьтеоретически. В 1900 году Планкопубликовал работу с изложениемсути своего открытия: излучениевещества происходит не непрерывно,а порциями, квантами. Этопредположение было совершеннонесовместимо с классическимипредставлениями, и Планк потомочень долго старался как-топримирить с ними свою гипотезу иливообще обойтись без нее.

Науку о сочетании несочетаемого— «кентавристику» — придумализвестный писатель и популяризаторнауки Даниил Данин. Сегодня онведет курс кентавристики вРоссийском государственномгуманитарном университете, а опринципах, положенных в ее основу,рассказал на страницах журнала встатье «Старт кентавристики» (см.«самый интересный журнал Наука и жизнь » №№ 5 и 6, 1996 г.).Объекты микромира тоже нередконазывают кентаврами. Совмещаянесовместимое, они имеют свойства ичастицы (корпускулы), и волны.Разные эксперименты обнаруживаютлибо их волновые, либокорпускулярные свойства. Придуматьспособ, позволяющий обнаружитьсразу и те, и другие свойства, до сихпор считалось невозможным. Однакоряд остроумных экспериментов,проделанных недавно, похоже,опроверг это мнение. Оказалось, чточастицы действительно способныбыть одновременно отчастикорпускулами, отчасти волнами. Этиистинные «кентавры микромира»,возможно, будут называтьсяквантонами .

Эйнштейн, по его собственномуутверждению, был приверженцемподхода, который он назвал«эвристической точкой зрения».Слово «эвристика» происходит отгреческого «эврискейн» — находить(отсюда — знаменитая «зврика»Архимеда). Оно означает, что речьидет о гипотезе, не претендующей нароль абсолютно верной иокончательной, но стимулирующейдальнейшие исследования. Дляфизиков это определение частооказывается весьма удобнымспособом высказать спорную идеюбез риска погубить свою репутацию.Не случайно, видимо, за 233 года допоявления статьи АльбертаЭйнштейна сэр Исаак Ньютониспользовал термин«эвристическая» в письмеЛондонскому Королевскому обществу,сообщая о разработанной имкорпускулярной теории света.

В 1905 году 26-летний клеркпатентного бюро Альберт Эйнштейнопубликовал три статьи,провозгласившие эру современнойфизики. В первой из них,напечатанной в немецком журнале«Анналы физики», была сделанапопытка объяснить, почему внекоторых твердых телах поддействием света возникаетэлектрический ток. Это явлениеназывается фотоэлектрическимэффектом, и с позиций классическоймеханики, считавшей свет волной,оно было абсолютно непонятным. Дляобъяснения фотоэффекта Эйнштейнпредположил, что свет может иногдадействовать как поток частиц,«выбивающих» электроны из вещества(в 1921 году эта работа была удостоенаНобелевской премии по физике).Полученные им уравнения прекрасноподтверждались результатамиэкспериментов и вызывали ощущение,что квантовое описание излучениядолжно быть единственно верным. Насамом же деле все обстояло гораздосложнее.

После того, как в 1925 году быласоздана квантовая механика, идеякорпускулярно -волнового дуализмамикрочастиц перешла из областидогадок в сферу хорошоразработанной математическойтеории. Однако, несмотря на то, чтоквантовая теория давалаисключительно детальную картинумикромира, ее создатели, включаяЭйнштейна, страстно спорили о том,что все это означает. Дискуссиипродолжались вплоть до третьейчетверти нашего столетия, когдалавина экспериментальных итеоретических открытий отвлеклафизиков от философских дебатов.

В 1923 году французскийфизик-теоретик Луи де Б;ройль«перевернул» революционнуюгипотезу Эйнштейна, предположив,что электроны — бесспорные частицы— могут проявлять себя как волны.Чтобы подчеркнуть двойственнуюприроду всех «кирпичиков», изкоторых построена материя,предлагалось ввести для них некоехарактерное название. Одним изпервых было слово «вейвикл» (wavicle —от английских слов «wave» — волна и«particle» — частица), но более удачнымпредставляется предложенноепозднее слово «квантон» (quanton). Заэтим названием стоит значительноболее глубокое понимание сути дела.





Схема опыта Юнга. Солнечныйсвет, проходя сквозь две щели вплотной шторе, падает на белыйэкран. Вместо сплошного светлогопятна на экране возникличередующиеся темные и светлыеполосы. Два световых луча,складываясь, дали тень. Этот опытнаглядно доказал, что свет — непоток частиц, как считалось современ Ньютона, а волна. Тольковолны, по-разному складываясь,способны и усиливать, и гасить другдруга — интерферировать.Эта лавина была инициированапоявлением новой теории —квантовой электродинами ки. Теорияэта с поразительной точностьюописывает, как электроны — частицыэлектричества — взаимодействуют сфотонами — частицами света.Содержание слов «частица» и«волна» в квантовойэлектродинамике не играет никакойроли, значение имеет толькоматематика (см. «самый интересный журнал Наука и жизнь » № 12,1995 г.). Электроны и фотонызаменяются символами, которымифизики могут манипулировать,получая количественные значения иподдающиеся проверке предсказания.Какие образы возникают при этом вголовах физиков — не столь уж иважно.



Известный американский физикРичард Фейнман полагал, что никтоне понимает квантовую механику (ибольше, чем кто бы то ни было, имелправо на такое мнение — см. «Наука ижизнь» № 10, 1964 г.). Однажды онзаметил, что «единственная тайна»квантовой механики заключена винтерпретацииодного-единственного эксперимента— эксперимента с двойной щелью иэлектронами, современной версииклассического опыта, выполненногов 1801 году английскимисследователем Томасом Юнгом длядемонстрации волновой природысвета».

И все же физика представляетсобой нечто большее, чем простоматематические упражнения. Онастремится также объяснить скрытыепроцессы, происходящие в природе,согласуя их с повседневнымчувственным опытом. Эйнштейновскаяконцепция корпускулярно-волновогодуализма еще существует; онапродолжает ставить актуальныевопросы и время от времени дажеприводит к новым поразительнымоткрытиям. Например, всегонесколько месяцев назадэксперимент нового типа,основанный на соответствующейтеории, показал, что обращение кздравому смыслу при исследованиипроблемы дуализма волна—частица(путь, занимавший умы большинствафизиков на протяжении 90 лет)представляется совершенноневерным.

Замечательно то, что опыт Юнгаможно выполнить и с электронами.Вместо пучка солнечного светачерез параллельные щели проходитпоток электронов, экраном служитпокрытая люминофором пластина(подобная экрану телевизионнойтрубки). Каждый элек

Опыт этот был на удивлениепростым. Юнг прорезал в чернойоконной занавеске две близкорасположенные вертикальные щели,через которые проходил солнечныйсвет и падал на экран упротивоположной стены. На экраненаблюдался ряд чередующихся черныхи белых полос — то, что мы теперьназываем интерференционнойкартиной. Юнг интерпретировалтемные линии как места, где«гребни» световых волн от однойщели встречаются с «впадинами»волн от другой щели, гася другдруга. Яркие же линии получаются вместах, где гребни или впадины отобеих щелей совпадают, вызываяусиление света. На протяжении почтидвухсот лет различные вариантыдвухщелевого опыта Юнгарассматривались какдоказательство того, что волны наводе, радиосигналы, рентгеновскиелучи, звук и тепловое излучениераспространяются в виде волн.

Мячики, пролетающие сквозьщель в заборе, оставляют на стенеследы в виде двух полос —«изображения» щелей. Так же вел бысебя и свет, будь он просто потокомчастиц.



Но каким образом электроны могутбыть одновременно и частицами, иволнами? Квантовая механикаотвечает на этот вопрос, связывая сэлектроном так называемую волновуюфункцию. Математически эта функцияпредставляет собой уравнениеволны, и описывает она вероятностьпоявления электрона в данной точкепространства. Поэтому электрон,подобно обычным волнам на воде,свету и звуку, проходя через щели,создает интерференционную картину.Люминесцирующая пластина-детекторсвоими светящимися участкамификсирует картину распределенияэлектронов или, что эквивалентно,вероятность обнаружить частицу вкакой-либо точке. Таким образом, вквантовом мире мы сталкиваемся счрезвычайно странным поведениемего «обитателей»: электроноказывается волной, пока он необнаружен, и только актдетектирования превращает его вчастицу.


Один из основных законов квантовоймеханики — принципнеопределенности — утверждает, чтонельзя одновременно точно измеритьположение объекта и количество егодвижения (импульс). Из-за этоголюбой объект оказывается«размазанным» в некоторой областипространства. Правда, касается этотолько объектов микромира ипроисходит не столь сильно, какизображает рисунок из журнала«American Scientist». трон при ударе о люминофороставляет на нем светящуюся точку,фиксируя тем самым свое прибытие ввиде частицы. Но изображение,сформированное всеми электронами,производит удивительноевпечатление. Оно принимает видинтерференционного рисунка: яркиеполосы, образованные множествомсветящихся точек, чередуются стемными областями, где они почтиотсутствуют. Картина в целомподобна той, которая получается вслучае света, и совершенно непохожана ту, которую мы получили бы,бросая, скажем, мячики в изгородь сдвумя вынутыми из нее досками, тоесть с двумя щелями. Двухщелевойэксперимент с электронами,демонстрируя, что частицы могутвести себя как волны,переворачивает предположениеЭйнштейна, что называется, с ног наголову.

Но датский физик Нильс Б;ор,«идейный отец» новой теории,немедленно обнаружил слабое местов этих рассуждениях. Эйнштейнпроигнорировал строгое положениеквантовой механики, называемоепринципом неопределенности. Этотпринцип касается измерений,выполняемых с квантонами. Онустанавливает, например, что, чемболее точно мы определим положениеэлектрона, тем менее точно будетопределена его скорость инаправление движения. Детекторэлектронов, фигурирующий в версииЭйнштейна, может определятьположение электрона достаточноточно для того, чтобызарегистрировать прохождениеэлектрона через одну из щелей. Вэтом случае, утверждает принципнеопределенности, должно иметьместо размазывание электронныхпучков после щелей до такойстепени, что интерференционнаякартина полностью размывается итеряются всякие признаки волновогоповедения. Б;ор показал, что правилаквантовой механики делаютпредложенный Эйнштейномэксперимент невыполнимым.

Тот, кто считает такуюинтерпретацию двухщелевогоэксперимента заводящей в тупик,оказывается в неплохой компании:Эйнштейн тоже отвергал этутрактовку. Предположим, говорил он,что мы располагаем детектором,который показывает, через какую изщелей проходит электрон. Показанияэтого детектора свидетельствуют,что электрон, прошедший черезданную щель, — отдельная частица.Однако интерференционная картина,зарегистрированная на экране илина фотопленке, дает столь жеубедительное доказательство того,что электрон проявил себя какволна, которая прошла сквозь обещели. Поскольку ничто не может бытьодновременно локализованным вточке и распределен ным впространстве, налицо явноепротиворечие. Мы приходим кабсурду.

Сегодня большинство физиковскажут вам, что исчезновениеинтерференционной картиныобусловлено принципомнеопределенности. И этодействительно так — в техэкспериментах, которые имели в видуЭйнштейн, Б;ор и Фейнман. Но втечение последнего десятилетияизвестные научные центры —Национальный институт стандартов итехнологии Калифорнийскогоуниверситета (г. Б;еркли, США) иИнсбрукский университет в Австрии— провели ряд остроумныхэкспериментов, показавших, чтоинтерференцион ная картинаисчезает даже в случаях, несвязанных с принципомнеопределенности.

Правило, которое было установленов 1927 году, гласит: электрон естьлибо частица, либо волна, взависимости от того, какаяэкспериментальная аппаратураиспользуется, но не обладаетсвойствами волны и частицыодновременно. Любая попыткаустановить одновременно каккорпускулярные, так и волновыесвойства наталкивается на принципнеопределенности. Фейнман писал в1965 году: «Если аппаратура способнаопределить, через какую щель прошелэлектрон, она не сможет оказатьсястоль деликатной, чтобысущественно не исказитьинтерференционную картину. Никомуи никогда еще не удалось изобрести(или даже просто указать) способ,как обойти принципнеопределенности».

Новые эксперименты исопровождающий их теоретическийанализ внесли свежую струю ясностив туманные идеи Б;ора окорпускулярно-волновом дуализме.Они продолжили то, на чемостановился двухщелевой опыт Юнга,добавив еще одинквантовомеханический фокус в видеустройства, названного квантовымластиком.

Учитывая это обстоятельство,можно полагать, что не существуеточевидных причин, в силу которыхпринцип неопределенности (строгаяматематическая теория) должен бытьсвязан с дуализмом волна—частица(эвристической гипотезой).Вероятно, первым, кто заговорил отакой связи, был Нильс Б;ор. Онрассматривал существование двухконцепций — волновой икорпускулярной — как примерпроявления закона природы,названного им принципомдополнительности. В применении кквантовой теории идеядополнительности состоит в том, чтонаблюдатель всегда имеет дело спарами наблюдаемых величин,которые оказываютсянесовместимыми, но в то же времянеобходимыми для полного описанияреальности. Информация об одной изних «затушевывает» информацию одругой. Среди таких парнесовместимых наблюдаемых величинБ;ор отмечал положение и скоростьчастицы, ее волновые икорпускулярные свойства (хотя он недавал точных количественныхопределений) и — в шутку — ясностьи истину (по-немецки: Klarheit и Wahrheit).Его лекции и статьисвидетельствуют, что, будучипоставленным перед выбором, оннеизменно выбирал истину, жертвуяясностью.

В отличие от методов измеренияположения, которые рассматривалисьБ;ором и Фейнманом и в которых самапроцедура измерения разрушаеткартину, такой маркировоч ныйпроцесс представляет собой оченьделикатную операцию. Она не болеечем прелюдия к измерению и сама посебе не имеет отношения к принципунеопределенности. Тем не менеетеория предсказывает, аэксперимент подтверждает, что прииспользова нии маркировочнойсистемы интерференционная картинане появляется. Стирает ее не знание,через какую щель прошел квантон, алишь принципиальная возможностьузнать это.

Придуманная хитрость заключаетсяв том, чтобы пометить каждыйквантон в тот момент, когда онпроходит через щель, при помощинекоего квантовомеханическогомаркера. Если бы сделанная меткабыла фактически наблюдаема, онадала бы возможность обнаружить,через какую щель прошел квантон. Нотакую метку придумать нельзя. Затов качестве маркирующего механизмаможно изменять внутренниймагнетизм электрона так, чтобыэлектрон во внешнем электрическомили магнитном поле отклонялсявверх, проходя через левую щель, ивниз — проходя правую. Такимобразом, каждый электрон мог бынести информацию о своем пути, таксказать, на себе самом. Но если мы ненаблюдаем за отклонением, то неимеем возможности узнать, какимпутем электрон достиг пластинки.

Если световую волну отодной щели пропустить черезполяроид, развернутыйгоризонтально, а от другой — черезполяроид, развернутый вертикально,полосы интерференции исчезнут.Весь экран будет равномерноосвещен.

Но как можно быть уверенным в том,что принцип неопределенности незапрятан здесь каким-нибудь хитрымобразом? На помощь приходит, как егоназывают, квантовый ластик.Установленный между щелями иэкраном (люминофорной пластинкой),он стирает маркировочную метку сквантонов. Например, если электронымаркированы их собственнымимагнитными полями, «ластик» мог быориентировать все эти поля вгоризонтальном направлении, делаяих бесполезными для выяснения, какдвигались электроны (еслимаркировочная информациязаписывается в память устройств,«ластик» может просто очис


Если на пути обеих волн поставитьтретий поляроид, развернутый на 45о,картина интерференции возникнетвновь. тить эту память). И после того, какэто сделано, интерференционнаякартина вновь появляется во всемсвоем таинственном великолепии.Частицы снова становятся волнами,которые проходят одновременночерез обе щели.



Сначала маркирующее устройство, всоответствии с принципомнеопределенности, устанавливает,через какую щель проходит квантон,идентифицирует его как частицу иопределяет его путь. «Ластик»воспринимает это как возмущение,действующее на квантон, ивосстанавливает в точности товолновое состояние квантона, вкотором он находился до маркировки.Но это, разумеется, лишено всякойлогики. Б;олее разумно сделатьвывод, что здесь не соблюдаетсяпринцип неопределенности, иквантон все-таки оказываетсяодновременно и волной, и частицей.

Если бы интерпретация Фейнманабыла правильной, то должно было быпроисходить следующее.

Существуют два объяснения этойситуации. С точки зренияклассической оптики в волнах,пришедших от щелей, световыеколебания совершаются вовзаимно-перпендику лярныхнаправлениях. Поэтому их «гребни» и«впадины» не могут ни уничтожатьдруг друга, ни вкладываться.Квантовомеханическое объяснениесовершенно иное: поляризаторымаркируют фотоны в световых пучках.Определив, с какой поляризациейприходит поток фотонов,экспериментатор смог быустановить, через какую щель онипрошли.

Выполнить эксперименты сквантовым ластиком неимовернотрудно, но можно осуществитьпростую их аналогию при помощиоборудования, доступного любойинститутской лаборатории. Все, чтотребуется, — это оборудование длядвухщелевого опыта Юнга плюс триполяризационных фильтра вроде тех,что используются в поляроидныхсолнцезащит ных очках ифотографических светофильтрах.Поляроидные фильтры обычно делаютна основе растянутых пленок сориентированными в одномнаправлении молекулами. Онипропускают световые волны, вкоторых колебания совершаютсятолько в плоскости, параллельнойнаправлению ориентации молекул, изадерживают колебания во всехдругих плоскостях. Светполяризуется и при отражении; еслисориентировать фильтр должнымобразом, можно погаситьослепительный блеск солнечныхзайчиков. Именно для этогоприменяют поляроидные очки исветофильтры. Воспроизведем опытЮнга, поставив перед левой щельюполяроид, поляризующий свет ввертикальном направлении, а передправой — дающий горизонтальнуюполяризацию. После этого на экранеинтерференци онная картина невозникнет.

Для перехода от такой настольноймодели к реальному зксперименту сквантовым ластиком придетсяотказаться от привычных законовоптики, рисующих картину стрельбысквозь щели одиночными квантонами.Пока что наиболее впечатляющим впроблеме квантового «ластика»остается его теоретическоеобоснование. Оно было дано в статье,опубликованной в сентябре 1996 годанемецким физикомБ;ертольдом-Георгом Энглертом изИнститута квантовой оптики им.Макса Планка (близ Мюнхена).Предположим, писал Энглерт, что вопыте с поляризационной модельюквантового ластика мы повернулитретий поляроид так, что угол,образованный его осью пропусканияс направлениями поляризации двухсветовых пучков, отличен от 45о.В этом случае мы увидим, что темныеполосы становятся светлее, асветлые — темнее. А если третийполяроид повернуть до совпаденияего оси пропускания с любым из двухнаправлений поляризации пучков(горизонтальным или вертикальным),то полосы исчезают совсем. Чтоможно сказать о фотонах, которыесоздают «промежуточные» картины?Б;удут ли они вообще фотонами в этихпромежутках? То есть, имеет ли смыслописывать фотон как микрообъект,который на Х% частица и на Y%волна?

Теперь смоделируем квантовыйластик. Для этого возьмем третийполяризатор и поместим его междущелями и экраном, ориентировав подуглом 45о к горизонтальномунаправлению. Тут же, словно поволшебству, появитсяинтерференционная картина.Развернутый на 45ополяризационный фильтр стираетинформацию о том, через какую щельпроходят фотоны, и они действуюткак волны. Думается, что Фейнманполучил бы удовольствие, ломаяголову над столь простымпредставлением «единственнойтайны» квантовой механики. Такиеэксперименты уже проделаны сфотонами и нейтронами (электроныподобным воздействиям поддаютсяхуже), и предложены дажеэксперименты с атомами.

При вращении третьегополяроида картина интерференцииначнет меняться. Полосы исчезнут,когда поляроид ориентированвертикаль но или горизонтально, истанут наиболее яркими, когда онбудет развернут под углом 45о.При повороте на промежуточные углыпроизойдет постепенное затуханиеили усиление яркости полос.



Когда Энглерт анализировал этидва параметра, он столкнулся ссюрпризом. В противоположностьдоктрине Б;ора и Фейнмана, видностьполос и информация о пути движенияне связаны принципомнеопределенности. В самом деле, этодаже не отдельные самостоятельныевеличины, вроде положения частицы иее скорости, они представляют собойразличные аспекты однойпеременной. На одном краю диапазонаизменения этой переменной полосычеткие, какое-либо знание о путидвижения отсутствует, и то, чтопроходит через щели, являетсяволной. На другом краю диапазонаполосы отсутствуют совершенно,квантоны способны нести информациюо том, через какую щель онипроходят, и здесь они — частицы. Впромежутке между этими двумякрайними ситуациями лежит целыйспектр описаний типа «на 40процентов частица и на 60 процентовволна» или «на 2 процента частица ина 98 процентов волна».

В самом деле, Энглерт заявил:корпускулярность и «волновость»легко измерить, если найти для нихправильные определения. Опираясьна работы предыдущих исследователей, он предложил физикам вместоиспользования слова «волновость»(waviness) говорить о видностиинтерференционных полос — хорошоизвестном параметре, определяю щемкачество интерференционнойкартины. Когда видность высока,полосы четкие, и они обусловленыволновыми свойствами; когда жевидность равна нулю, полосыотсутствуют, и в этом случаерезультирующее световое поле можетбыть следствием корпускулярногоповедения (фотоны ведут себя какмячики). Для характеристикикорпускулярно сти вместо крайнихсуждений типа «все или ничего»Энглерт предложил ввестипеременный параметр, названный импредсказуемостью информации о путидвижения — мере уверенностиэкспериментатора в том, что даннаячастица прошла через данную щель.

Квантовый ластик демонстрирует,что квантон не частица или волна, алибо и то и другое, либо ни то, нидругое. Он обладаетквантовомеханическим свойством,наблюдаемым как волновое на одномконце диапазона и каккорпускулярное — на другом. Дляизучения промежуточных случаевфизикам просто недостает интуиции.В поляризацион ном экспериментеуказанное свойство контролируетсяпутем ориентации имитирующегоквантовый ластик поляроида, осьпропускания которого можно плавноповорачивать от вертикали илигоризонтали (полная информация опути движения квантона) до 45о(максимальная видностьинтерференционных полос).Б;лагодаря таким эвристическим,побуждающим к размышлениюэкспериментам мы должнывоспитывать и тренировать нашуинтуицию и отказаться отсуществующей девять десятилетийконцепции дуализма волна—частица.Только тогда физика сможетуверенно продвинуться к болееглубокому пониманию истиннойприроды квантонов.

Корпускулярные и волновыесвойства оказались частями одногои того же фундаментальногосвойства квантона. Здесь ситуацияпохожа на ту, в которой оказались быфизики, изучающие звуковые волны,если бы они могли распознаватьраздельно два таких свойства, какгромкость и «тихость», исосредоточивали бы свое вниманиена их экстремальных значениях —«очень громкий звук» и «полнаятишина». В этом случае они могли быприйти к формулировкедополнительности типа «громкомузвуку недостает тихости, а тихому —громкости». Понятно, что вдействительности здесь имеет местотолько один переменный параметр —степень громкости, которая можетплавно меняться от одного крайнегозначения до другого.