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

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.

Результат получился весьма оригинальный. Следуя примеру Фейнмана и многих других, итальянские ученые воспользовались для объяснения эксперимента трехступенчатой аналогией, начав с интерференции поверхностных волн на воде (в природе, а затем – в волновом бассейне), после чего перешли к интерференции света с использованием бипризмы Френеля и в заключение описали собственную электронную бипризму. Все трое снялись в фильме, редактором которого был Мерли. Он же очень удачно подобрал фоновую музыку: объяснение классической части эксперимента (интерференцию волн на воде и света) сопровождали мелодии концерта Вивальди для флейты, а повествование о квантовой интерференции – современная атональная музыка. Кульминацией фильма стал эпизод, в котором было показано, как квантовая интерференционная картина медленно выстраивается из набора отдельных электронов. Результат был потрясающим, и фильм (его можно найти в Интернете) получил приз на Международном фестивале научного кино в Брюсселе в 1976 году156. «Всякий раз фильм производит на меня грандиозное впечатление», – говорит Поцци, и, несомненно, подобное чувство испытывает не он один.

В 1989 году Акира Тономура, старший научный сотрудник исследовательской лаборатории компании «Хитачи» в Японии, с группой ассистентов провел подобный эксперимент с использованием еще более сложной и эффективной системы отслеживания электронов. Японские ученые тоже опубликовали статью с описанием результатов своей работы в American Journal of Physics 157 и сняли фильм, демонстрирующий формирование интерференционной картины в результате постепенного накапливания отдельных электронов в реальном времени. Тономура показал свой фильм во время доклада в Королевском институте, видеозапись его доклада также имеется в Интернете158.В какой-то момент своего выступления Тономура ускорил воспроизведение кинопленки, позволив хаотически разрозненным точкам материализоваться в сложную картину; нечто похожее бывает после заката, когда отдельные крохотные звезды на наших глазах постепенно складываются в картину Млечного пути, заставляя задуматься о существовании единой структуры Вселенной. Комментируя видеозапись, Тономура сказал:

«У нас нет выбора, и мы обязаны сделать довольно странный вывод: по отдельности электроны регистрируются целиком и последовательно, как частицы, однако все вместе они ведут себя как волна, в своем взаимодействии складываясь в интерференционную картину. Квантовая механика заставляет нас отказаться от представления об электронах как о корпускулах, ограничив его лишь моментами их регистрации».

В последние годы феномен квантовой интерференции был продемонстрирован на примере других частиц, а также атомов и даже молекул.

Двухщелевой эксперимент в применении к электронам характеризуется тремя ключевыми качествами красивого эксперимента. Он фундаментален и демонстрирует своеобразное поведение материи на атомарном уровне, противоречащее нашим интуитивным представлениям о мире. Электрон, испущенный источником, через какое-то время достигает детектора на определенном расстоянии от него. Но где он находится по пути? Эксперимент с квантовой интерференцией (как с использованием двух щелей, так и бипризмы) показывает, что квантовый объект, в отличие от объекта макромира, не имеет четко определяемого местонахождения в пространстве и во времени. «Где ты был?» – вот вопрос, который не имеет смысла по отношению к электрону. Он был везде и нигде. И если эксперимент Юнга с двумя щелями и светом стал важнейшим обоснованием необходимости смены научной парадигмы и перехода от восприятия света как потока частиц к восприятию его как волны, то двухщелевой эксперимент с отдельными электронами является столь же убедительным основанием для другой смены парадигмы – с классической на квантовую.

Он экономичен, так как, несмотря на всю его революционность, оборудование, необходимое для его проведения, в настоящее время вполне доступно, а базовые концепции, связанные с ним, понятны. Более того, данный эксперимент в лаконичной форме демонстрирует все те загадки, которые обычно ассоциируются с квантовой механикой: и знаменитый «кот Шредингера», и неравенства Белла, и эксперименты с нелокальностью могут быть сведены к квантовой интерференции.

Кроме того, эксперимент не вызывает ни малейших сомнений. Он способен убедить самого закоренелого скептика, не принимающего на веру истин квантовой механики. Даже человеку, хорошо разбирающемуся в квантовой механике, теория может представляться крайне абстрактной, а ее импликации – далекими от нашего восприятия. Двухщелевой эксперимент превращает абстрактную теорию в легко постижимый ощутимый образ. «До того как я увидел его собственными глазами (в колледже), я не верил ни единому слову современной физики», – написал мне в ходе моего опроса один ученый.

Благодаря непосредственной данности интерференционной картины эксперимент отличается особой ясностью, почти той же ясностью, что и в эксперименте Юнга. В нем присутствует и что-то от «ожидаемой неожиданности» опыта на Пизанской башне, где наше восхищение вызывает наглядность процесса разрушения стереотипов обыденного восприятия мира. Результат эксперимента с электронной интерференцией вызывает недоумение лишь у того, кто привык относиться ко Вселенной как к совокупности дискретных частиц.

И, наконец, рассматриваемый эксперимент прекрасен (по крайней мере, с моей точки зрения), так как выступает блистательным завершением того поразительного процесса поисков, начало которому положил Эратосфен. Опыт Эратосфена подтвердил интуитивное прозрение греков, что небеса имеют универсальную и вполне постижимую космическую архитектуру; что в самом глобальном масштабе Вселенная состоит из тел, вращающихся одно вокруг другого в трехмерном пространстве. Эксперимент с квантовой интерференцией показывает, что на уровне элементарных частиц объекты связаны между собой таким образом, который нельзя ни постичь с помощью обычных человеческих представлений, ни вообразить, однако используя оборудование, созданное нашими руками, мы получаем убедительные свидетельства существования совершенно иного мира.

Квантовый мир всегда будет противоречить интуитивному восприятию человеком Вселенной – независимо от того, насколько мы доверяем теории. «Двухщелевой» эксперимент с интерференцией электронов достаточно ясно, лаконично и ощутимо демонстрирует особую, труднопостигаемую реальность квантового мира. Прослушивание щелчков детектора, отмечающего прохождение отдельных электронов через бипризму или пару щелей, наблюдение за образованием интерференционной картины – одно из самых впечатляющих и незабываемых переживаний. Поэтому можно с уверенностью сказать, что эксперимент с квантовой интерференцией отдельных электронов останется в пантеоне красивых экспериментов еще очень долгое время.

Интерлюдия Занявшие второе место

Список экспериментов, занявших второе место в моем опросе, состоит из нескольких десятков опытов в самых разных сферах исследований. Некоторые из них заслуживают особого упоминания из-за определенных обстоятельств, с ними связанных, необычных способов, которыми они проявляют свою красоту, или просто из-за субъективных предпочтений автора.

Первым в ряду экспериментов, занявших второе место, стал гидростатический эксперимент, проведенный (совершенно случайно) Архимедом Сиракузским, широко известным древнегреческим математиком и изобретателем и, по стечению обстоятельств, современником Эратосфена. Нынешние историки науки считают вполне достоверным рассказ о том, как в III веке до нашей эры Гиерон, тиран города Сиракузы на Сицилии, попросил Архимеда измерить содержание золота и серебра в жертвенном венце, который тиран заказал своим жуликоватым ювелирам. Как сообщает античный источник, Архимед размышлял над данным ему поручением, сидя в ванне, и обратил внимание на то, что «чем глубже он погружается в нее своим телом, тем больше через край вытекает воды. И как только это указало ему способ разрешения его вопроса, он, не медля, вне себя от радости, выскочил из ванны и голый бросился к себе домой, громко крича, что нашел то, что искал»159.