На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Аманда Гефтер (2014)

Волна, которая описывает квантовую частицу, – это математическая волна, волновая функция. Если физические волны переносят энергию, то математические волновые функции переносят вероятность. Квадрат амплитуды волновой функции в любой точке пространства определяет вероятность нахождения в этой точке частицы. Если сделать достаточно много измерений положений точек света в пространстве, то получится карта распределения вероятности.

Насколько я могу судить, то, что распределение вероятности для одной частицы можно представить в виде волны, не так уж и странно. Странно то, что интерференционная картина возникает даже в том случае, когда фотоны летят поодиночке. Распределение вероятности, изображаемое чередованием светлых и темных полос, не закодировано в волновой функции единичного фотона – такое распределение получается в результате сложения двух волновых функций. Можно подумать, что один фотон проходит одновременно через обе щели и его волновая функция делится на две. Складываясь за экраном, они интерферируют друг с другом, и в результате получается новая волновая функция. В этом случае отдельные фотоны будут распределены в соответствии с новой волновой функцией, отчего и возникают чередующиеся светлые и темные полосы.

Если закрыть вторую щель и повторить эксперимент с однофотонными импульсами света, то интерференционная картина исчезает. Распределение интенсивности светового пятна на фотопластинке будет соответствовать волновой функции единичного фотона. Интерференционные полосы появляются только в случае, когда обе щели открыты.

Наконец, книги повествуют еще об одном варианте того же эксперимента, который физики проводят в попытке понять, каким образом фотон проходит через обе щели сразу. Они оставляют обе щели открытыми, но на этот раз снабжают их детекторами, которые срабатывают, определяя, через какую из щелей проходит фотон. Затем лазер снова включают в однофотонном режиме и направляют луч на экран с двумя щелями, которые до этого давали интерференционную картину. Но на этот раз на фотопластинке появляются два пятна, соответствующих волновой функции единичного фотона. Как если бы фотон знал, что это за ним следят.

«Ладно, – подумала я. – Это было то, о чем меня предупреждали: запах вскипающих мозгов. Он действительно знает, когда за ним следят?»

Нет, конечно: фотон не знает ничего. Но как вы объясните то, что происходит? Действительно ли фотон может находиться в двух местах одновременно, когда никто на него не смотрит, и в одном, если кто-то следит за ним? Что значит – наблюдать за фотоном? И почему наши наблюдения так влияют на исход эксперимента?

«Эксперимент с двойной щелью, в сухом остатке, – записала я в своем блокноте. – Почему распределения вероятностей одиночных фотонов дают интерференционную картину, как если бы фотон проходил оба пути одновременно? И почему интерференционная картина исчезает при попытке измерить, какой из двух путей выбирает фотон?»

Различные физики видели эту ситуацию по-разному. Фейнман, например, говорил, что когда мы не наблюдаем за частицами, они действительно проходят по двум траекториям одновременно. Бор, в свою очередь, утверждал, что если мы не производим наблюдение, у нас нет права говорить что-либо о частице. До тех пор, пока мы не проводим измерение, говорил Бор, у частицы нет определенного положения в пространстве. До тех пор, пока мы ее не измерили, она даже не частица. Она еще не стала чем-то вообще. Но если частицы не становятся чем-то до тех пор, пока их не измерят, что именно интерферирует, образуя интерференционный узор? Полосы нереализованных альтернатив? Нагромождение событий, которые могли бы случиться, да никогда в полной мере и не произошли?