Ричард Фейнман не раз подчёркивал, что комплементарность - это главная загадка квантовой физики, лежащая в самом сердце этой теории. Правила комплементарности управляют миром чрезвычайно малых частиц - квантовым миром, и постулируют, что частицы и волны невозможно отличить друг от друга. Что они - суть одно и то же. Что вообще бессмысленно рассуждать о чём-либо в таких терминах и, тем более, пытаться изобразить отдельную частицу или волну. Частицы/волны/любое-другое-название находятся в некоторой суперпозиции, где нет ни частиц, ни волн. Это просто попытка объяснить, почему не получается создать плащ-невидимку, а понятия частиц или волн очень удобны. Ведь стоит поискать частицу - и вы найдёте частицу. Поищите вместо частицы волну - и вы увидите волну.

Комплементарность проявляется из-за ограничений, возникающих при исследовании объектов квантового мира с помощью классических измерительных приборов. Оказывается, когда вы пытаетесь исследовать объект, который очень-очень-очень мал, возникают некоторые проблемы. Фундаментальные проблемы. Например, вы не можете точно узнать, в какой конкретной точке пространства находится субатомная частица. Вы можете узнать, где она, лишь с некоторой вероятностью и эта вероятность распространяется в пространстве в форме волны. Понимание неопределённости в измерениях является очень важным моментом, позволяющим избежать сомнений, которые могут возникнуть при знакомстве с комплементарностью.

Эта статья является продолжением предыдущей, ссылка на которую приведена выше. Надо бы продолжать с того места, где я остановился в прошлый раз, когда все согласились, что измерения на квантовом уровне связаны с большими трудностями. Однако, не все согласны с тем, что такие трудности означают. Некоторые учёные, например, Альберт Эйнштейн, говорят, что, если что-либо не может быть измерено, то это ещё не значит, что этого чего-либо там нет. Другие, включая большинство признанных физиков, говорят обратное - если что-либо не может быть измерено, значит, с практической точки зрения, его там и нет. Мы должны продолжить наше путешествие и, используя современные технологии, вглядеться в туманный мир комплементарности. Но сначала небольшой обзор.

Эксперимент на двух щелях - с чего всё началось

Прежде всего, заметка для пуристов, которые будут возражать против моего подхода к описанию концепций. Я должен сказать вам, что у меня нет цели отправить эту статью на печать в The Scientific Journal. Моя цель - просто опустить те детали, которые, разумеется, присутствуют при углублённом изучении темы, и представить материал в лёгкой и понятной форме, чтобы каждому было приятно его изучать. Однако, в любом случае, не стесняйтесь дополнять что-либо в комментариях.

Комплементарность была разработана для того, чтобы помочь понять результаты лабораторных экспериментов. Сегодня идея комплементарности является сердцем того, что известно как Копенгагенская интерпретация квантовой механики. Существуют и другие интерпретации, но Копенгагенская модель признана наиболее широко.

Квантовый ластик

Лабораторный эксперимент, о котором я упомянул, строится на основе эксперимента на двух щелях, который позволяет отличить частицу от волны. Представьте себя на стрельбище, где перед вами находится крупная цель. Между вами и целью возведена большая стальная стена с двумя узкими щелями, около 15 см в ширину и на расстоянии 60 см друг от друга. Вы выпускаете несколько сотен пуль из вашего пулемёта и осматриваете следы на мишени. Вы увидите ожидаемую картину - две тонкие линии в тех местах, где пули прошли через щели.

Квантовый ластик

Теперь давайте возьмём нашу большую стальную стену с двумя щелями и закрепим её на озере так, чтобы прорези были прямо над поверхностью. За стеной поместим специальный датчик, способный улавливать волны. Мы бросаем огромный камень в озеро и наблюдаем за волнами, возникшими в месте падения и бьющимися о стену. С другой стороны стены две новые волны появятся на месте щелей. Каждая прорезь будет вести себя как источник волн. Волны от каждой щели будут интерферировать друг с другом и порождать особый рисунок на стенке датчика. Его называют интерференционной картиной, состоит из нескольких линий различной интенсивности.

Квантовый ластик

Теперь вы должны увидеть, к чему мы пришли. Если у нас есть неизвестная субстанция и мы хотим знать, состоит она из частиц или волн, мы можем провести описанный эксперимент. Свет, например, будет давать интерференционную картину. И это логично - свет является электромагнитной волной. Можно предположить, что субатомные частицы будут давать рисунок, аналогичный тому, что давали пули, выпущенные из пулемёта - две отчётливыве линии. На деле оказывается, что это не так. Они также порождают интерфереционную картину. И это, конечно, абсолютно не логично.

Но физики очень умны - они решили стрелять по двойной щели одной частицей за раз. Например, одной частицей в час. Но это даёт тот же результат - интерфереционную картину! Частица ведёт себя как волна, как если бы она прошла через две щели в один и тот же момент! Это невозможно! Мы должны взглянуть внимательнее. Будем наблюдать отдельную частицу, чтобы увидеть через какую прорезь она прошла. Если вы попытаетесь так сделать, то получите две отдельные линии, как и ожидали. Если мы посмотрим на частицу, мы увидим частицу. Если мы не посмотрим на неё, мы увидим волну. И это положило начало концепции комплементарности.

Идея о том, что “наблюдения определяют действительность” ведёт в такие философские дебри, что лучше туда не лезть. Однако мы можем исследовать эту загадку с помощью эксперимента. Что если мы могли бы наблюдать частицу/волну/что угодно ПОСЛЕ того, как она прошла сквозь щель, но ДО того, как достигла стенки датчика? Это именно то, что делает эксперимент квантового ластика.

Квантовый ластик

Некоторые концепции квантовой теории изначально формулируются как мысленные эксперименты с целью рассмотреть идею или подход, и уже со временем технологии достигают точки, в которой становится возможным провести настоящие опыты. Эксперимент квантового ластика был одним из таких опытов, и был проведён в университете штата Мэриленд в 1999 году.

Эксперимент начинается с того, что фотоны видимого света проходят через двойную щель. После этого свет сразу попадает в призму, которая разделяет отдельный фотон на пару запутанных частиц (явление квантовой запутанности не рассматривается в данной статье, для простоты достаточно представить, что это две половинки одного и того же фотона - прим. пер.). Далее линза направляет один из фотонов на датчик D0. Второй фотон попадает на следующую призму. То, что случается далее, зависит от того, через какую щель прошёл оригинальный фотон. Если он пришёл с верхней щели (путь этого фотона обозначен красным на рисунке), он попадёт на полупрозрачное зеркало BSb. Если он пришёл с нижней щели (путь обозначен голубым), призма направит его на полупрозрачное зеркало BSa. BS в данном случае означает Beam Splitter - расщепитель луча - полупрозрачное зеркало, пропускающее 50% фотонов и отражающее остальные 50%.

Квантовый ластик

Зеркало BSb отправит 50% фотонов с верхней щели на датчик D4 и остальные 50% на зеркало Mb. Фотоны с Mb последуют на ещё одно полупрозрачное зеркало BSc. Это зеркало направит по 50% фотонов на датчики D1 и D2.

Похожие события произойдут с фотонами, прошедшими через нижнюю щель. Они достигнут BSa, который отправит их на датчик D3 и зеркало Ma. С Ma они отправятся на зеркало BSc, которое переведёт половину фотонов на датчик D1 и другую половину - на D2.

В итоге фотоны с верхней прорези будут попадать на датчики D1, D2 и D4. Обратите внимание, что ни один фотон с верхней щели не может достичь датчика D3. Фотоны с нижней прорези направятся на датчики D1, D2 и D3. Ни один фотон с нижней щели не сможет достичь датчика D4. Кроме того, для фотонов, которые в итоге достигли датчиков D1 и D2, невозможно определить с каких именно щелей они пришли. Итак, вот что у нас есть:

  • Верхняя прорезь = D4
  • Нижняя прорезь = D3
  • Неизвестно = D1 и D2

Датчик D0 расположен на кратчайшем пути, так что фотон достигает его примерно на 8 наносекунд раньше, чем запутанная пара добирается до другого датчика. Схема совпадений (Coincidence Counter, устройство, реализующее метод совпадений для регистрации связанных частиц - прим. пер.) помогает нам сопоставить фотон, достигший D0 его запутанной паре, которая достигла D1 - D4.

Итак, подаём 12V на Arduino Uno и высвобождаем фотоны. Вот что мы обнаружим - D3 и D4 (обозначены R0n на рисунках из Википедии) обнаруживают частицу. D1 и D2 дают интерфереционную картину. И это логично. Мы не можем узнать, через какие щели прошли частицы, обнаруженные на D1 и D2. Соответственно, они ведут себя как волны. И мы знаем, через какие щели прошли частицы, обнаруженные на D3 и D4, следовательно, они ведут себя как частицы. Однако, это не главное в эксперименте.

Квантовый ластик Квантовый ластик

Самое интересное происходит на датчике D0. Каждый фотон, который обнаруживают датчики D1 - D4, имеет запутанную пару, достигающую D0 на 8 наносекунд раньше. Как и другие датчики, D0 может обнаружить частицу либо волну. И это именно то, что нам нужно - мы смотрим на частицу ПОСЛЕ того, как она прошла через щель, но ДО того, как она достигла стенки датчика, представленной, в данном случае, устройствами D1 - D4.

Установлено, что фотоны, достигавшие D0, всегда - в 100% случаев - коррелировали со своими парами. А это, товарищи хакеры, не должно случаться. Почему? Потому что:

  1. Фотоны достигают D0 за 8 наносекунд до D1 - D4.
  2. Фотоны имеют шансы 50/50 попасть на D1/D2 или D3/D4.

Как тогда фотон, достигающий D0 знает, что его запутанная пара достигла D1/D2 или D3/D4? Мы вынуждены рассмотреть невозможные сценарии:

  • Фотоны, обнаруженные на D1 и D2 должны отправлять информацию на 8 наносекунд в прошлое, чтобы сообщить своей запутанной паре на D0, что нужно вести себя как волна.
  • Фотоны, обнаруженные на D3 и D4 должны отправлять информацию на 8 наносекунд в прошлое, чтобы сообщить своей запутанной паре на D0, что нужно вести себя как частица.

Это, друзья, упрощённое объяснение явления квантового ластика (на самом деле, в статье разобран так называемый “эксперимент квантового ластика с отложенным выбором”, базовая вариация которого описана в Википедии - прим. пер.) Он “стирает” прошлое, пресекая наши попытки узнать, через какую щель прошёл фотон. Бор был прав: комплементарность реальна, пусть это и выглядит невозможным. Однако, наша проблема заключается не в том, что проявляется неоспоримое путешествие во времени. Наша проблема в том, что то, как мы видим окружающий мир, несовместимо с квантовой теорией. Задаваться вопросом о том, частица это или волна, бессмысленно. Понятия времени и пространства, причины и следствия имеют здесь другие значения - значения, в которых мы не уверены по сей день.

Вдохновляйте своих сыновей, дочерей, племянниц и племянников сосредоточиться и изучать квантовую теорию. Расшевелите их любопытство, ведь существует множество нерасказанных историй, которые ещё ждут своего часа, и будущих исследований, которые легко превзойдут самую захватывающую фантастику. Окружающая нас реальность хранит поразительные тайны, которые составляют следующий рубеж современной науки.

Оригинал здесь.