Впечатляющее достижение основателей квантовой механики состояло в развитии математического формализма, в котором отсутствовали абсолютные предсказания, характерные для классической физики, а вместо них появились вероятности. С помощью уравнения, опубликованного Шрёдингером в 1926 году (эквивалентное, но менее удобное уравнение было получено в 1925 году Гейзенбергом), физики умеют задавать начальное состояние вещей, а затем вычислять вероятность того, что они окажутся в одном состоянии или в другом в любой последующий момент времени.
Но не думайте, что всё так элементарно, как в простом примере с электроном. Квантовая механика применима не только к электронам, но и ко всем типам частиц, и предсказывает не только их положения, но также скорости, угловые моменты, энергии, а также поведение в разных ситуациях, от потока нейтрино, пронизывающих в данный момент ваше тело, до бурных атомных реакций в оболочках далёких звёзд. В таком широком диапазоне явлений вероятностные предсказания квантовой механики согласуются с экспериментальными данными. Всегда. В течение более чем восьмидесяти лет с того момента, как была сформулирована квантовая механика, не появилось ни одного проверяемого эксперимента или астрофизического наблюдения, результаты которых расходились бы с квантово-механическими предсказаниями.
Для целого поколения физиков столкнуться с таким радикальным отходом от интуитивных представлений, основанных на тысячелетнем коллективном опыте, и при этом переосмыслить окружающую нас реальность в рамках совершенно нового подхода, основанного на вероятностях, несомненно явилось поистине великим интеллектуальным достижением. Однако была одна неудобная мелочь, что досаждала квантовой механике с самого момента её возникновения — та самая мелочь, которая проложила путь в мир параллельных вселенных. Для её понимания нам понадобится чуть более подробно познакомится с квантовым формализмом.
Головоломка с альтернативами
В апреле 1925 года во время одного эксперимента в лаборатории Белла, проводимого двумя американскими физиками, Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером, стеклянная трубка с раскалённым кусочком никеля внутри неожиданно взорвалась. Дэвиссон и Джермер потратили много дней, облучая образец никеля потоками электронов с целью изучения атомных свойств металлов, и выход из строя оборудования был очень некстати, хотя такие помехи вполне привычны для экспериментатора. Убирая стеклянные осколки, Дэвиссон и Джермер заметили, что во время взрыва кусочек никеля потускнел. Ничего страшного, конечно же. Для восстановления образца его надо было прокалить, чтобы испарились загрязняющие вещества, после чего можно было начинать заново. Так они и поступили. То, что они решили очистить старый образец, а не взять новый, стало счастливой случайностью. Когда они направили пучок электронов на очищенный образец, полученные результаты разительно отличались от того, что они ожидали. К 1927 году стало понятно, что Дэвиссон и Джермер установили важнейшее свойство квантовой теории. Спустя десять лет это открытие было удостоено Нобелевской премии.
Хотя эксперимент Дэвиссона и Джермера был проведён так давно (до появления звукового кино и до начала Великой депрессии в США), он по-прежнему широко применяется для иллюстрации основных идей квантовой теории. Эксперимент объясняется следующим образом. Когда Дэвиссон и Джермер накалили загрязнённый образец, в никеле образовались довольно крупные кристаллы. Поэтому поверхность образца никеля перестала быть однородной, и электронный пучок стал рассеиваться на неоднородностях, порождённых местонахождением больших никелевых кристаллов. Чтобы прояснить самые существенные физические закономерности этого явления, рассмотрим упрощённую версию этого эксперимента, изображённую на рис. 8.1. Пучок электронов падает на пластинку с двумя узкими щелями. Электроны, прошедшие сквозь одну или другую щель, подобны электронам, рассеивающимся на одном кристалле никеля или на соседнем. С помощью этой модели Дэвиссон и Джермер осуществили первый вариант того, что теперь называется экспериментом с двумя щелями.
…
Рис. 8.1. Суть эксперимента Дэвиссона и Джермера можно передать в опыте «с двумя щелями», где электронами облучают пластинку с двумя узкими щелями. В эксперименте Дэвиссона и Джермера два потока электронов возникают при рассеянии электронов на двух соседних кристаллах никеля; в эксперименте с двумя щелями два аналогичных потока порождаются электронами, прошедшими сквозь соседние щели
Чтобы понять этот потрясающий результатом, представьте, что одна из щелей закрыта, а прошедшие электроны фиксируются поочерёдно на экране детектора. После облучения большим количеством электронов экран детектора будет выглядеть как на рис. 8.2а или 8.2б. Разумный человек, не знакомый с квантовыми рассуждениями, ожидал бы, что картинка, которая появится, когда открыты обе щели, будет простым объединением этих двух результатов. Поразительно, но такого не происходит! Вместо этого Дэвиссон и Джермер обнаружили то, что примерно показано на рис. 8.2в. Возникающая картинка состояла из светлых и тёмных полос, указывающих на места попадания или непопадания электронов.