Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Наблюдение К. Йонссоном интерференции электронов на двух щелях (опыт Юнга с электронами). Коллапс волновой функции

Опыт, проведенный Йоннсоном, повторял технику фундаментального опыта Юнга по интерференции. Пучок электронов пропускался через две близлежащие щели, после чего на фотопластинке, установленной за ними, наблюдалась интерференционная картина. Этот опыт был идейно проще, чем опыт Фабриканта–Бибермана, поскольку интерференция проще дифракции: интерферируют волны от двух вторичных источников, а не бесконечного их числа. Тем не менее, в одном аспекте он позволял продвинуться дальше дифракционного эксперимента. Так же как Фабрикант и Биберман, Йонссон удостоверился в том, что даже отдельные электроны создают интерференционную картину. Если принять чисто волновое представление об электроне, то не возникает никаких парадоксов: волна проходит через два отверстия, рождая за ними две сферические волны, которые впоследствии интерферируют.

Однако может возникнуть вопрос: как же частица с неделимым зарядом и массой прошла одновременно через две щели? А можно ли зарегистрировать прохождение этой частицы через каждую из щелей? Для того, чтобы осуществить последнее, перед одной из щелей был поставлен детектор, регистрирующий событие прохождения электрона сквозь нее. И тут внезапно оказалось, что наличие детектора привело к исчезновению интерференционной картины на экране! Электрон стал вести себя как классическая частица, пролетая либо через первую, либо через вторую щель, но не через две одновременно, — образуя на экране только две полосы напротив каждой из щелей. Как только детектор выключали, интерференционная картина восстанавливалась: экран снова становился покрытым семейством интерференционных полос.

Результаты проведенного эксперимента говорят о следующем. Во-первых, даже отдельно взятый электрон обладает волновыми свойствами, поскольку способен пройти одновременно через две щели и образовать за ними интерференционную картину. Во-вторых, любая попытка определить, через какую из щелей прошел данный электрон, безнадежно нарушает когерентность щелей как источников вторичных электронных волн, в результате чего интерференционная картина исчезает. Более того, выяснилось, что последнее свойство не связано с конструктивными особенностями детектора: сколь мягким не было бы воздействие детектора на электрон, если детектор срабатывает, то с этого момента можно с уверенностью говорить, что электрон прошел через данную щель, а не через другую. Таким образом, второго источника «вторичных электронных волн» в этом случае просто нет! Можно, например, поставить два детектора за каждой из щелей, и они никогда не будут срабатывать одновременно. В итоге мы заключаем, что электрон обладает и свойствами частицы, а именно, неделимостью! Так что утверждение в рамках чисто волновых взглядов о том, что часть электрона проходит через каждую из щелей, оказывается неверным.

Данное явление свидетельствует о том, что обычное статистическое понятие вероятности неприменимо к микрочастицам. Электрон как бы одновременно, не делясь на части, проходит через обе щели — поэтому его состояние за щелями представляет собой суперпозицию двух состояний электрона, прошедшего через конкретную щель («суперпозиция» дословно означает наложение, одновременное существование). Явление же исчезновения интерференционной картины при установке детектора около одной из щелей называется декогеренцией, поскольку, с точки зрения волновой теории, две вторичных волны, исходящие от щелей, после этого действия теряют когерентность. С точки зрения квантовой теории данное явление также называют коллапсом волновой функции. Образно говоря, как только мы задаем электрону вопрос: «Ты пролетел через первую или через вторую щель?» — его суперпозиция разрушается, и после этого он либо со стопроцентной вероятностью проходит через первую щель, либо со стопроцентной вероятностью через вторую. Из двух одновременно существовавших потенциальностей реализуется только одна — причем так, будто остальных и не существовало.

Явление волнового коллапса в контексте опыта Йонссона создало почву для многочисленных обсуждений, многие из которых, к сожалению, страдают непрофессионализмом. В частности, нередко утверждается, что, наблюдая квантовую систему, можно влиять на ее состояние. Отчасти это правда — но никогда нельзя заставить систему перейти в желаемое состояние: есть лишь вероятность того, что взаимодействие с детектором заставит ее сколлапсировать в него. Также частица может пролететь мимо детектора — и тогда наоборот вероятность нахождения системы в желаемом состоянии занулится. Измерение квантовой системы в некотором смысле напоминает предложение руки и сердца: получая любой из двух определенных ответов, ты с ним и остаешься.

Бытует также мнение, что волновой коллапс позволяет мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью, передавать информацию и перемещать частицы из точки в точку. Действительно, казалось бы, перед тем как детектор зарегистрировал прохождение электрона через одну из щелей, ненулевая вероятность его нахождения наблюдалась и у другой щели. После этого события, как говорилось выше, электрон у второй щели отсутствует! Получается, наблюдение электрона мгновенно переместило его от второй щели к первой! Однако здесь необходимо помнить, что до достижения фотографической пластины или детектора мы говорим только о волновой функции электрона, а не нем самом. Перемещение этой субстанции со сверхсветовой скоростью прямо противоречило бы теории относительности — однако оказывается, что сама волновая функция не несет физического смысла, в частности, ее значение в данной точке нельзя измерить. Пока же электрон находится в «потенциальном» состоянии, его мгновенное «перемещение» ничему не противоречит. Также как «внезапно» оказавшийся в другом городе герой фильма «С легким паром» отнюдь не со сверхсветовой скоростью переместился из Москвы в Ленинград.

Тем не менее, вопросы, изложенные в последнем параграфе, представляют собой предмет серьезного научного диспута между ведущими физиками XX века, который вылился в физический эксперимент. Об этом эксперименте читатель узнает подробнее в разделе, посвященном квантовой телепортации.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>