Загадка квантовой физики, поставившая в тупик Эйнштейна (4 фото)
Начнем с самой простой схемы (подчеркиваю, это именно схематичное изображение эксперимента, а вовсе не реальная схема установки).
Отправим лазерный луч на полупрозрачное зеркало (ПП), которое пропускает половину падающего на него излучения и отражает вторую половину. Затем, каждый луч отражается зеркалами (1) и (2) и попадает на экран, где мы и наблюдаем интерференционные полосы. Все просто и ясно, скажет читатель: просто фотоны (или электроны! или еще что–нибудь) ведут себя как волна.
Теперь понизим мощность лазера так, что он станет выпускать каждую секунду всего лишь один единственный фотон. Классическая интуиция подсказывает нам, что интерференции быть не должно, ведь, пардон, с чем несчастному фотону прикажете интерферировать? Однако, квантовая механика дает противоположный результат – интерференция будет! «Ну и что! – скажет более искушённый читатель, знаем мы и об этом!» Что ж, давайте еще усложним этот опыт.
Для начала попытаемся понять, по какому же именно пути прошел фотон – по верхнему или по нижнему. Для этого на каждом пути поставим по даун–конвертору (ДК). Даун–конвертор – это прибор, который при попадании в него фотона рождает 2 фотона на выходе с половинной энергией, один из которых идет по старому направлению, а второй «холостой» в детектор (3) или (4). Повторяем опыт, только теперь мы будем знать, где же именно летел наш фотон. Ожидаемо, интерференционная картина исчезла. Ведь мы узнали, где именно прошел фотон. Фотон прошел лишь по одному пути, а не по двум сразу, и интерференция исчезла.
Теперь самое интересное. Картинка усложнилась, но пугаться не стоит. Все очень просто. Поставим перед детекторами (3) и (4) по полупрозрачному зеркалу, как то, что мы использовали вначале. Далее, отправим отраженные фотоны на еще одно полупрозрачное зеркало (слева от источника на схеме). «Холостой» фотон с вероятностью 50% проходит через полупрозрачное зеркало и попадает в детектор (3) или (4) ИЛИ, с вероятностью 50% отражается от ПП, попадает на ПП слева и с 50% вероятностью попадает в (5) или с 50% в (6). Если «холостой» фотон попал в детектор (3) или (4) мы знаем, что исходный фотон прошел соответственно сверху или снизу. Напротив, если сработал детектор (5) или (6) мы не знаем по какому пути прошел фотон. Подчеркну еще раз – при срабатывании (3) или (4) у нас есть информация по какому пути прошел фотон. При срабатывании (5) или (6) такой информации нет. Этой замысловатой схемой мы стираем информацию о том, по какому пути прошел фотон.
Теперь самый ошеломительный результат – если выделить на экране те точки, которые появились при срабатывании (3) или (4) – интерференции нет, но если выделить подмножество точек, которые получались при срабатывании (5) или (6), то они образуют интерференционную картину! Задумайтесь на минуту над этим результатом: фотону не важно, «трогаем» мы его или нет во время эксперимента. С помощью даун–конверторов мы получаем потенциальную информацию о том, где прошел фотон. Если она реализуется (детекторы (3) или (4)) – картина разрушается, но если мы аккуратно стираем ее (срабатывают детекторы (5) или (6)), то нам удается уговорить фотон проинтерферировать. Интерференцию разрушает не механическое вторжение в эксперимент, а наличие информации. Ученые утверждают, что подобные эксперименты проводились не только с фотонами, электронами, но и с целыми молекулами.
Законы нашего мира очень странные и порой контр интуитивны. На макроскопическом уровне может казаться, будто более–менее все понятно. Но стоит начать нам иметь дело с элементарными частицами, как весь наш повседневный опыт рушится. А что нас ждет на планковских масштабах, не смогут предположить даже самые смелые фантасты.
Известно, что до конца своей жизни Альберт Эйнштейн так и не принял квантовую механику с ее неопределенностью, стохастическими, случайными и хаотическими процессами. Это неприятие выразилось в фразах Эйнштейна: «Бог не играет в кости» и «Неужели Луна существует только потому, что на нее смотрит мышь?». Т.е. Эйнштейн стоял на четкой позиции детерминизма физических, в том числе и квантовых процессов. Эйнштейн просто считал, что физики не обнаружили еще те постоянные, которые влияют на поведение квантовых частиц.
P.S.: Этот эксперимент вовсе не мысленный, а вполне реальный и был осуществлен, хоть и выглядел запутаннее и сложнее, чем я здесь описал.