Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

В методике Юнга свет от одного источника разделялся на два излучения от двух отверстий, разделенных небольшим расстоянием. Френель же разделял свет из одного источника, заставляя его проходить одновременно через две стороны треугольной призмы. Электронная бипризма Молленштедта разделяла пучок электронов надвое, помещая у них на пути очень тонкую проволоку под нужным углом. Проволока должна была быть настолько тонкой, что первоначально для этой цели Молленштедт использовал позолоченные паутинки (и потому держал в лаборатории целую коллекцию пауков). Позже он нашел более дешевый и эффективный способ получения проволоки нужного диаметра: в пламени газовой горелки вытягивались кварцевые волокна, которые затем покрывались золотом. Когда волокно бипризмы имело положительный заряд, оно разделяло луч на две составляющие под небольшим наклоном друг к другу, что способствовало возникновению интерференции между ними.

Летом 1955 года Молленштедт и Дюкер продемонстрировали сотрудникам института первые интерференционные картины, полученные с помощью бипризмы. Вскоре после этого у Йонссона появилась идея заменить бипризму небольшой двойной щелью, как в эксперименте Юнга, чтобы на основе прохождения пучков электронов через два отверстия получить интерференционную картину. Препятствия на этом пути были грандиозные. Ученому нужно было проделать щели сверхмалого размера в специальной металлической фольге. Но если оптические отверстия могли располагаться на любом прозрачном материале (например, на стеклянном слайде), то для эксперимента с электронами подобное было невозможно, так как любой такой материал рассеивал бы электроны. Следовательно, фольга должна была быть механически стабильной или достаточно прочной, чтобы выдержать удар электронов.

Здесь Йонссону пришлось реализовать основные принципы «компромисса экспериментатора», ведь при прорезывании щелей в поддерживающем материале достаточной прочности, как правило, остаются неровные края. Если же использовать более тонкий материал, то щели получаются более четкой формы, однако снижается способность материала противостоять воздействию электронов без деформаций, которые неизбежно окажут влияние на поведение электронов, проходящих сквозь отверстия. Кроме того, отверстия должны быть гораздо меньше, чем в эксперименте Юнга, так как ширина электронного пучка составляет всего лишь около десяти миллионных метра (10 микрометров). Отверстия должны быть идеально чистыми, так как электроны будут отскакивать от любой неровности и распределяться хаотически, разрушая то, что именуется «когерентностью» электронов.

Рис. 23. Иллюстрация, демонстрирующая разницу между оптической линзой Френеля (слева) и электронной бипризмой Молленштедта-Дюкера (справа)

Здесь Йонссону очень пригодился его опыт с батареями из немецкого джипа, так как на его примере он понял, насколько важно сохранять субстрат чистым. Некоторые его коллеги сомневались в успешности эксперимента и настаивали на том, чтобы он отказался от своей идеи. Однако Йонссон продолжал работу, вдохновленный любимой поговоркой Молленштедта – « Es geht nicht» gibt es nicht für einen Experimentalphysiker [17]. В 1956 году Йонссон занялся изучением методов прорезывания щелей в очень тонкой фольге и к следующему году нашел способ152. Весной 1957 года он сдал теоретическую часть экзаменов на степень доктора наук и стал обсуждать с Молленштедтом тему своей диссертации. Поначалу Молленштедт хотел, чтобы Йонссон работал над проблемой бипризмовой интерференции, но разрешил ученику сменить тему. Первая часть проекта заключалась в создании инструмента, который проделывал бы щели размером меньше восьмисот миллиардных метра (800 нанометров), – устройство, которое намного опережало бы свое время. Таким образом, Йонссона можно назвать пионером нанотехнологии. Вторая часть проекта относилась к разработке специальной пленки, которую можно было бы применять даже при небольшой активности электронов153. Возникла необходимость каким-то образом избавиться от механических и магнитных возмущений, препятствующих интерференции. Йонссон получил первую фотографию интерференционной картины в 1959 году (рис. 24), и за эту работу в 1961 году ему была присуждена докторская степень.

Рис. 24. Интерференционная картина эксперимента Йонссона с рассеянием электронов

Любой человек, разбирающийся в квантовой механике, понимает, что эксперимент Йонссона не был каким-то особым прорывом в области физической теории и результат никого не удивил. Однако же сам исследователь испытывал огромное удовлетворение от того, что ему удалось реализовать то, что он позже называл «старым мысленным экспериментом из квантовой механики, который до сих пор представлялся невозможным, и к тому же эксперимент чрезвычайного педагогического и философского значения». Когда доклад Йонссона, переведенный на английский, опубликовали в American Journal of Physics , издании, предназначенном для преподавателей физики, редакторы журнала не жалели комплиментов, описывая эксперимент Йонссона. Хотя данный эксперимент и не находится на переднем крае исследований в теоретической физике, говорилось в передовой статье журнала, он тем не менее является «великим экспериментом» и «техническим шедевром», его результатом стала «концептуальная ясность реального, базового эксперимента, описание и исследование которого могут теперь обогатить и упростить процесс изучения квантовой физики». Этот эксперимент помог «наполнить живой экспериментальной реальностью… и преобразить формальную дисциплину в живую профессию».

В то время было невозможно провести подобный эксперимент с отдельными электронами, но примерно через десятилетие ситуация изменилась. С последующим вариантом двухщелевого эксперимента связаны интересные обстоятельства. В 1970 году Пьер Джорджо Мерли и Джулио Поцци, два молодых итальянских исследователя из Лаборатории электронной микроскопии при Болонском университете, присутствовали на международном семинаре по электронной микроскопии в сицилийском городке Эриче. На Мерли и Поцци особенно сильное впечатление произвел доклад о новых усилителях яркости изображения, чувствительность которых позволяла регистрировать отдельные электроны. По возвращении в Болонью ученые сразу же решили взяться за исследовательский проект с использованием этих новых приборов. Национальный фонд научных исследований обещал профинансировать проект, однако из-за бюрократических проволочек средства задерживались. В 1971 году администрация лаборатории командировала Поцци и Джанфранко Миссироли в Рим для выяснения причин задержки.

Сидя в поезде, оба ученых попытались как-то отвлечься от неприятных мыслей о предстоящем визите: бюрократическое противостояние вызывает у любого интеллектуала глубокое отвращение и чувство абсолютной беспомощности. Естественно, разговор зашел о физике, и Поцци рассказал Миссироли о своем интересе к работе с электронной бипризмой. Они начали обсуждать возможные совместные проекты. Так было положено начало плодотворному тридцатилетнему сотрудничеству. Миссироли интересовала возможность превращения результатов открытий в простой и легко объяснимый студентам учебный материал, пригодный для последующих публикаций. Миссироли и Поцци начали свои совместные эксперименты в 1971 году154.

К тому времени Мерли перешел в Лабораторию химии и технологии материалов и электронных устройств (LAMEL), но продолжал сотрудничество с Поцци, Миссироли и другими исследователями из Лаборатории электронной микроскопии. Втроем они изготовили бипризму и установили ее на электронный микроскоп «Сименс». Как только Мерли узнал, что в Милане имеется усилитель изображения, способный регистрировать отдельные электроны, исследователи стали планировать эксперимент по обнаружению интерференции электронов, в ходе которого можно было бы пропускать по одному электрону через бипризму. Втроем они отправились в Милан, чтобы сделать съемку, прикрепив усилитель изображения к своему электронному микроскопу, и практически сразу же обнаружили интерференционную картину.

Итальянские исследователи, как и Йонссон, опубликовали описание своего эксперимента в American Journal of Physics в надежде, по их словам, что «эксперименты с интерференцией электронов станут более знакомыми для студентов»155. Однако через некоторое время, при поддержке двух других ученых из LAMEL , они задумали более амбициозный проект: сделать небольшой фильм о своем эксперименте и распространить запись в местных учебных заведениях и библиотеках. Проект оказалось непросто воплотить в жизнь: он требовал немалых денежных вложений. Большую часть времени исследователи потратили на подготовку текста. Так как они были практиками, а не теоретиками, очень много усилий и интеллектуальной энергии уходило на точное описание всех подробностей хода эксперимента.