В двухщелевом эксперименте частицы света или материи направляются через две узкие щели к экрану-детектору. Эта простая установка позволяет исследовать поразительно глубокий вопрос: как объекты могут попадать на экран в виде отдельных точек, но при этом коллективно образовывать характерный волновой рисунок?
Эксперимент наглядно демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм. В зависимости от того, что именно измеряет прибор, свет и материя проявляют свойства как интерферирующих волн, так и локализованных частиц. Квантовая механика объединяет эти наблюдения, не требуя представлять фотон или электрон лишь крошечным шариком или обычной волной на воде.
Как две щели создают интерференционную картину
В 1801 году Томас Юнг продемонстрировал интерференцию световых волн, что стало весомым аргументом в пользу волновой теории света. Его работа помогла утвердить принципиально важную мысль: наложение световых пучков может приводить не только к увеличению яркости, но и к темноте. Это явление крайне трудно объяснить, представляя свет как поток обычных летящих частиц.
Если осветить когерентным светом две близко расположенные щели, на экране возникнут чередующиеся светлые и темные полосы. Эти полосы называют интерференционными. Когерентные волны сохраняют стабильную разность фаз: их колебания происходят с постоянным временным соотношением. Благодаря такой стабильности интерференционная картина не размывается по мере накопления данных измерений, а остается четкой.
На светлой полосе волны от двух отверстий сходятся в одной фазе: их электрические поля колеблются синхронно и усиливают друг друга благодаря конструктивной интерференции. На темной полосе они приходят в противофазе и взаимно гасятся вследствие деструктивной интерференции. Это можно сравнить с наложением кругов на воде, когда гребни волн либо совпадают, либо встречаются с впадинами. Однако в случае со светом колеблются не частицы воды, а электрические и магнитные поля.
Что определяет расстояние между интерференционными полосами?
Масштаб интерференционной картины задается геометрией установки. Разность хода — это расстояние, на которое путь света от одной щели длиннее пути от другой до определенной точки на экране. В сочетании с длиной волны эта разность хода определяет разность фаз при падении на экран. Для узких щелей, удаленного экрана и малых углов наблюдения расстояние между полосами подчиняется простой приближенной формуле: длина волны, умноженная на расстояние до экрана и деленная на расстояние между щелями.
- Увеличьте длину волны (пространственный период волны) — и соседние светлые полосы разойдутся дальше друг от друга.
- Увеличьте расстояние от щелей до экрана — и расстояние между полосами также вырастет.
- Увеличьте расстояние между щелями (между центрами отверстий) — и полосы сдвинутся ближе друг к другу.
- Увеличьте ширину каждой щели — и ее дифракционная огибающая (широкий профиль яркости, обусловленный расхождением волн) сузится. Эта огибающая модулирует более тонкие двухщелевые полосы.
- Перекройте одну щель — и двухпутевая интерференция исчезнет. Оставшееся отверстие по-прежнему может создавать дифракцию на одной щели с собственной чередой более ярких и темных областей.
Почему отдельные частицы выстраиваются в волновую картину
Детекторы света регистрируют фотоны — отдельные порции (кванты) света — в строго локализованных точках. Электроны также фиксируются в виде точечных событий. Тем не менее эксперименты продемонстрировали интерференцию электронов, доказав, что поведение на двух щелях характерно не только для света. Материя тоже поддается волновому описанию.
Длина волны де Бройля для частицы равна постоянной Планка, деленной на ее импульс. Постоянная Планка задает фундаментальный квантовый масштаб; импульс описывает движение и при обычных скоростях равен произведению массы на скорость. Соответственно, чем больше импульс, тем короче длина волны.
Теперь уменьшим интенсивность источника настолько, чтобы частицы проходили через установку строго по одной. Каждое попадание по-прежнему оставляет отдельную точку. Однако после накопления множества попаданий эти точки складываются в интерференционную картину, а значит, столкновения или взаимодействия между одновременно летящими частицами вовсе не требуются. В случае с фотонами это явление называют однофотонной интерференцией.
Квантовая механика описывает частицу с помощью волновой функции — математического представления ее состояния. Исходя из этого состояния, физики вычисляют амплитуду вероятности обнаружения частицы в заданной области. Амплитуда обладает величиной (модулем) и фазой, но сама по себе вероятностью не является. Правило Борна связывает ее с реальной вероятностью детектирования: вероятность пропорциональна квадрату модуля амплитуды.
Если ничто в установке не позволяет различить два возможных пути, их амплитуды складываются до возведения в квадрат. Эта квантовая суперпозиция объединяет альтернативные траектории так, что их фазы могут взаимно усиливаться или ослабляться. Возведение суммарной амплитуды в квадрат приводит к появлению интерференционных членов, которые и формируют распределение вероятностей — предсказанный узор распределения попаданий по экрану при проведении множества испытаний.
Как измерение траектории меняет узор
Что произойдет, если прибор зафиксирует, через какую именно щель пролетает каждая частица? Идеальное квантовое измерение, достоверно определяющее траекторию, полностью разрушает интерференцию в общей картине — то есть в полной совокупности попаданий на экран без их сортировки по результатам других измерений.
Частичная информация о пути оказывает более мягкое воздействие: она снижает контрастность (видимость) полос, не стирая их целиком. Этот баланс иллюстрирует принцип дополнительности: экспериментальная установка не может одновременно предоставить исчерпывающую информацию о пути и идеальную видимость интерференционной картины.
При этом так называемый «эффект наблюдателя» вовсе не требует присутствия человека или живого существа. Наблюдение в физике означает любое физическое взаимодействие, сохраняющее информацию — будь то в самом детекторе или в окружающей среде. Квантовая декогеренция возникает тогда, когда система запутывается с этим окружением, что подавляет наблюдаемую интерференцию между альтернативными состояниями внутри изолированной системы. Человеческое сознание здесь ни при чем.
В традиционной копенгагенской интерпретации коллапс волновой функции понимается как мгновенное обновление квантового состояния с учетом результата измерения. Другие интерпретации трактуют этот процесс иначе. Декогеренция объясняет, почему локальная интерференция становится недоступной для наблюдения, однако сама по себе она не дает окончательного ответа на вопрос о том, почему реализуется конкретный исход измерения.
Что проверяют эксперименты с отложенным выбором и квантовым ластиком
В эксперименте с отложенным выбором конфигурация измерения определяется уже после того, как частица попала внутрь установки. Результаты таких опытов опровергают предположение о том, что частица с самого начала непременно обладает строго определенной классической историей движения. При этом они не означают, что запоздалое решение способно изменить прошлое.
Эксперимент с квантовым ластиком исследует схожие корреляции. Если информация о пройденном пути закодирована в другой квантовой системе, то ее измерение подходящим способом позволяет выделить отсортированные группы событий с комплементарными интерференционными картинами. При этом совокупный, неотсортированный массив попаданий по-прежнему не демонстрирует никакой интерференции. Интерференция проявляется лишь при сопоставлении данных измерений — и для этого не требуется ни участия сознания, ни передачи сигналов назад во времени.
Эта статья создана с использованием технологий искусственного интеллекта, после чего прошла фактчекинг и научную редактуру редактором HowStuffWorks.
