Эксперименты квантовой физики, опыт Юнга и принцип квантовой неопределенности

Наиболее известный эксперимент в квантовой физике демонстрирует, как один объект может быть в двух местах одновременно. Этот эксперимент в свое время поразил самого Эйнштейна. Исследуя микромир ученые доказали возможность существования таких явлений, которые не встречаются в обычном мире. Во вселенной мельчайших частиц не только информация может распространяться со сверхсветовой скоростью, но и сам факт наблюдения может изменять результат эксперимента.


«Кажется, что поведение частиц меняется в зависимости от того следим мы за ними или нет», – Шон Кэрролл (космолог). Это глубокое наблюдение было сделано в результате опыта Юнга. Ученые впервые провели его сто лет назад, пропуская фотоны сквозь металлическую пластину с двумя прорезями. Частицы, проскочившие в прорези, засвечивают проекционный экран позади пластины.

Загадочные явления квантовой физики в опыте Юнга

«Я собираюсь продемонстрировать результаты этого поразительного эксперимента при помощи связки бейсбольных мячей и барьера с двумя отверстиями, – Алекс Филиппенко. – В нашем повседневном мире мячи, прошедшие через отверстия оставят след на проекционном экране позади барьера, они попадут в определенную точку этого экрана. Теперь давайте используем целую связку мячей, я включаю машину. Видите, мячи оставили след на проекционном экране почти напротив прорезей в барьере. Это нормально, это то, чего мы и ожидали. Однако если в похожем эксперименте использовать вместо мячей электроны, которые меньше по размеру в десять миллиардов раз, окажется что результат будет разительно отличаться. Экран будет засвечен так, как будто через щели барьера пропускали волны, он зафиксирует явление интерференции. Но мы всегда считали, что электроны это частицы, почему же они ведут себя иначе?»

Результаты эксперименты озадачивают, электрон был частицей, пока его не запустили в экран, после этого он оставил на проекторе такой след, как будто сквозь щели барьера пропустили не один электрон, а сразу два. Неужели микрочастица каким-то образом сама себя клонировала? Годы исследований не приблизили ученых к ответу на эти вопросы.

«Может быть, самое загадочное явление в квантовой физике, то что один объект может в двух местах одновременно», – Фред Каттнер (университет Калифорнии)

«Как будто бы электрон чувствует обе прорези и проходит сквозь них, чувствует на каком-то своем квантово-механическом уровне», – Клиффорд Джонсон.

«Большинство ученых уверены, что этому феномену есть рациональное объяснение, которое можно экспериментально доказать, но все таки объяснение это пока еще не найдено», – Алекс Филиппенко.

Принцип квантовой неопределенности

В попытках понять, как именно частица может быть в двух местах одновременно, ученые стали наблюдать, как поведет себя один электрон, когда его пропустят через препятствие с двумя прорезями. Как частица может пройти в обе прорези одновременно?

«Физики проследили за движением электронов, фотонов и других субатомных частиц, вне зависимости от их размера, – Алекс Филиппенко. – Они не просто изучали следы, оставленные на проекционном экране, но и наблюдали за непосредственным моментом прохождения частиц сквозь прорези и поняли нечто поразительное. Когда мы следили за электронами, они вели себя как частицы и оставляли такие же следы на экране как бейсбольные мячи. Но если наблюдения в этом момент не велись, электроны вели себя как волны и экран фиксировал их интерференцию, это совершенно необъяснимо. Результат эксперимента зависит от того, следят за его ходом или нет. В первом случае поведение электронов похоже на движение мячей, во втором на движение волн, но все это происходит ни в одно и то же время».

Ученые пришли в замешательство, похоже, процесс наблюдения влиял на природу атомных частиц.

«Удивительно, но когда мы не наблюдаем за объектами они являются волнами, а когда наблюдаем частицами, и даже электроны, которые все считали частицами волновые свойства, когда за ними не следят», – Шон Кэрролл.

«Этот факт изменчивости природы частицы в зависимости от того находится она под наблюдением или нет называется принципом квантовой неопределенности», – Фред Каттнер.

Как может наше решение о проведении наблюдения изменять поведение объекта? Существует одно техническое объяснение. «Для того чтобы провести исследование, вам надо как-то взаимодействовать с системой, вы направляете на нее луч света и видите его отражение, – Алекс Филиппенко. – Именно так мы и определяем, что бейсбольный мяч находится в конкретном месте, мы видим отраженный от него свет. Когда дело касается крупных объектов, результаты наблюдений почти не искажены, но частицы микромира очень чувствительны к свету, который может менять их поведение».

В пространстве микромира фотоны примерно равны размерам субатомных частиц и могут оказывать на них значительное влияние, когда мы направляем свет на систему, чтобы ее рассмотреть. Однако не совсем понятно, почему свет не просто меняет направление движения наблюдаемых объектов, но и саму их природу?

«Ответ прост – мы не знаем, это основная загадка квантовой механики, причина по которой эта наука настолько сложна, – Шон Кэрролл. – Смотришь на объект, видишь частицу, не смотришь, имеешь дело уже с волной».

Когда результаты эксперимента были опубликованы столетие назад величайшие умы науки пришли в замешательство. Эйнштейн сказал: «Я не верю в квантовую физику, потому что луна есть на небе тогда, когда я на нее не смотрю». «Эйнштейн кончено в данном случае сравнивал объекты принципиально несравнимые, ведь существование луны не зависит от того, наблюдаешь ли ты за ней или нет», – Фред Каттнер.

Квантовая физика, исследования тайн микромира и субатомных частиц

Однако история непостижимого опыта Юнга на этом не закончилась. В последние годы развитие технологий позволило ученым разработать новый вариант этого эксперимента, который изменил само наше восприятие времени.

«Это своеобразный высокотехнологичная версия знаменитого эксперимента, – Алекс Филиппенко. – Электроны все также пропускались сквозь барьер с двумя отверстиями, однако теперь ученые смогли провести наблюдение тогда, когда электроны уже прошли сквозь отверстия, но еще не ударились о проекционный экран. Это как, если бы я стоял на бейсбольном поле возле барьера с закрытыми глазами, а мячи летели через отверстия и вели себя как волны, но в последнюю секунду перед ударом я бы вдруг открыл глаза».

В этот момент электроны становятся частицами такими, каким они были при запуске из электронной пушки. «Электроны ведут себя так, будто вернулись в прошлое, будто не прошли сквозь два отверстия, а только через одно, будто они никогда не проявляли свойств волны, это не укладывается в голове», – Алекс Филиппенко.

«В этом и есть загадка, как наше решение о проведении эксперимента влияет на природу электрона, так или иначе это влияние мы оказываем, тем самым наблюдая возможность путешествий в прошлое», – Фред Каттнер.

Ученые только начинают исследовать вопрос практического применения открытия, но ясно одно законы субатомного мира могут открыть нам вселенную с такой стороны, что она будет похожа на сюжет научной фантастики.

Принцип неопределенности в квантовой механике

После обнаружения тайн микромира ученые захотели как можно скорее разгадать и объяснить их. Однако когда они попытались понять, что же именно происходит в мире субатомных частиц, произошло нечто неожиданное – природа отказалась им это показать.

«Когда мы исследуем микромир, оказывается, что все основные объекты в нем скрыты завесой неопределенности, и это не из-за изъянов нашей методологии, а из-за того, что сама природа не определилась с некоторыми вещами», – Алекс Филиппенко. Ученые называют это принципом неопределенности, и, несмотря на всю странность, может быть, это и есть основной принцип существования нашего мира, мы просто ничего не можем знать с абсолютной точностью.

«В нашей повседневной жизни нам кажется, что мы многое знаем об окружающих предметах, – Клиффорд Джонсон. – Мы, например, можем определить место положения бильярдного шара и ударить по нему с определенной силой, столкнуть его с другими шарами, направив их в лузу. Но что происходит в мире, который в триллионы раз меньше нашего, где в роли таких бильярдных шаров выступают субатомные частицы?»

Обращаясь к микромиру, физики понимают, что просто не в состоянии с точностью определить местоположение частиц из-за их волновых свойств, и что более удивительно, когда ученые пытаются поймать частицу, она генерирует энергию и покидает пространство наблюдения до того, как ее местоположение и скорость будут определены. Принцип неопределенности гласит, что природа не позволяет поймать свой фундаментальные частицы.

«Из-за того, что частицы в микромире взаимодействуют по своим особым правилам и законам, бильярд там превращается в совершенно другую игру», – Клиффорд Джонсон.