Продолжаю рассказывать про то, что я вычитал в «Краткой истории времени» Стивена Хокинга. Это восьмая и последняя часть рассказа.

Интерференция электрона с самим собой

В 1920-х годах в лаборатории Белла ставили эксперименты с потоками электронов и получили странные результаты. Электроны вели себя то как частицы, то как волны, то как чёрт знает что.

Фотка с телефона по запросу «чёрт знает что»

Сейчас попробую рассказать по шагам.

Шаг 1. Берём поток электронов и направляем его на экран, фиксирующий прилетевшие электроны. Ставим между источником электронов и экраном пластину с вертикальной щелью. Большая часть электронов попадает на пластину, но некоторые пролетают через вертикальную щель и попадают на экран. Точки на экране образуют вертикальную полосу, примерно повторяя форму щели. Всё логично. Именно такого поведения мы ожидаем от частиц.

Шаг 2. Теперь заменим пластину на такую же, но не с одной, а с двумя вертикальными щелями. Направляем через них тот же поток электронов и ожидаем увидеть на экране две полосы точек вдоль этих щелей. Но вместо этого видим «интерфереционную картину». Электроны разлетелись по всему экрану, но при этом кучкуются такими «волнами» — то их больше, то меньше. Это странно, частицы так себя не ведут! Зато так себя ведут волны. Они проходят через две щели, разбегаются во все стороны от них и накладываются друг на друга. В точках, где фазы волн совпадают, получается получается то двойная волна. А если оказываются в противофазе, то полностью гасят друг друга. Поэтому когда волны доходят до экрана мы и видим «волны» — то точек сильно больше, то сильно меньше.

Сергей Второв сделал модель, в которой можно поиграться с длинной волны, размером и расстоянием между щелями и расстоянием до экрана. По ссылке модель для эксперимента со светом, но в эксперименте получалось, что электроны ведут себя аналогично.

Вот как это выглядит на практике:

Такой эффект можно объяснить так: у нас летит много-много электронов-волн, эти волны накладываются друг на друга и в одних местах усиливают друг друга, а в других гасят. Так получается интерференционная картина на экране, где точек то больше, то меньше. А что если стрелять электронами по одному с интервалом раз в секунду? Тогда электроны не будут влиять друг на друга.

Шаг 3. Находим установку и стреляем электронами по одному. Возвращаемся через полчаса — и видим на экране ту же интерфереционную картину. Что за фигня? Получается, что электрон-волна как будто одновременно проходит через обе щели, сам с собой интерферирует и в итоге оказывается с некоторыми вероятностями в разных точках экрана. Распределение вероятностей оказаться в разных точка экрана идёт волной и поэтому после запуска большого числа электронов мы и видим эти точки на экране волнами. WAT?

Может быть будет понятнее, если посмотреть объясняющее видео с иллюстрациями:

Если я правильно понял, то Ричард Фейнман предложил смотреть на это так: частица одновременно проходит по всем возможным траекториям. У каждой траектории своя вероятность завершиться в конкретной точке. Чтобы понять, окажется ли электрон в конкретной точке, надо просуммировать вероятности по всем его возможным траекториям. Этот метод так и называется — «суммирование про траекториям». Рассчитать, в какую именно точку улетит конкретная частица, нельзя — но можно построить карту вероятностей для всех точек, куда она может улететь. Если запустить много-много частиц, то распределение точек совпадёт с рассчитанными вероятностями. Вот такой вероятностный мир.

Почему электроны не падают на ядра?

Раньше считалось, что электроны летают вокруг атомов как маленькие электроны-планетки вокруг маленьких ядер-звёзд. Но было непонятно, почему они не теряют потихоньку энергию, не падают на ядра и не происходит коллапс всей материи во Вселенной. В 1913 году Нильс Бор постулировал, что электроны могут занимать только определённые траектории и переходить между ними с получением/испусканием энергии. Почему так — было непонятно, но такой постулат лучше всего согласовывался с наблюдениями. Всё-таки, электроны не падали на ядра.

Объяснение этому эффекту дал Фейнман с его идеей суммирования по траекториям. Когда электрон-волна летит вокруг ядра, то вдоль некоторых орбит укладывается целое (а не дробное) число длин волн электрона. При движении по этим орбитам гребни волн окажутся в одном и том же месте на каждом витке, и поэтому такие волны складываются; такие орбиты относятся к боровским разрешённым орбитам. А для тех орбит, вдоль которых не укладывается целое число длин волн электрона, каждый гребень по мере обращения электронов рано или поздно скомпенсируется впадиной; такие орбиты не будут разрешёнными. Суммирование по траекториям показывает, что обнаружить электрон на разрешённой орбите можно с высокой вероятностью, а на неразрешённой — с нулевой. И всё сразу становится понятно, правда? :-)

Принцип неопределённости и фундаментальное представление о реальности

Принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что невозможно определить положение и импульс частицы точнее определённого предела. Чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Насколько я понял, это связано даже не с тем, что само измерение влияет на частицу, а с самой её природой. Так как она немножко волна, то положение у неё слегка размазанное. Но дело там тёмное, и мне самому интересно получше с этим разобраться.

С этим связан вопрос о фундаментальной определённости (или неопределённости) мира. Эйнштейн говорил, что измерить положение, скорость и другие параметры частиц мы супер-точно не можем, но у частиц они изначально есть. Это было бы логично. А Нильс Бор предположил, что их и изначально нет. Что параметры проявляются, только когда мы их измеряем, то есть как-то взаимодействуем с частицей. Эта безумная на первый взгляд мысль рождается из экспериментов с электронами. В примере с электроном, летящем через две щели сразу, получается, что у него вообще нет какого-либо внятного положения в пространстве, пока его где-нибудь не остановят.

Мне всё это кажется очень странным. Как это у частицы нет определённых параметров до измерения? Но в 1964 году Джон Белл придумал эксперимент, результат которого различался, если эти параметры и правда изначально не определены. А через двадцать лет его смогли провести и узнать результат. Круто про это написал Sly2m на Dirty: раз, два, три. После них я чуть-чуть начал понимать изначальный вопрос, способы экспериментальной проверки и пугавшее Эйнштейна «жуткое дальнодействие».

Все части серии

1. Эволюция представлений об устройстве Вселенной
2. Неабсолютное пространство
3. Неабсолютное время
4. Взаимодействие света и гравитации
5. Предельная скорость перемещения в пространстве
6. Большой взрыв, большое схлопывание и тепловая смерть
7. Жизненный цикл звёзд и чёрные дыры
8. Квантовая физика и вероятностный мир

Где купить «Краткую историю времени» Хокинга

— Бумажную — на Озоне, я читал её,
— электронную — на Литресе,
— аудиоверсии пока нет.

Как получать свежие посты

— Электронная почта и РСС — туда попадают только посты в блог,
— телеграм-канал, фейсбук и твиттер — туда попадают заинтересовавшие меня ссылки с короткими комментариями,
— инстаграм — туда иногда выкладываю фотки.