Суспільство 2017-08-27 11:28 Олег Фея

Експеримент Вілера

Нещодавно в ЗМІ пройшла хвиля статей із таким загальним змістом: «австралійські вчені підтвердили, що реальності не існує, а майбутнє впливає на минуле».

Стосувалися вони результатів експерименту з квантової фізики, які ще 2015 року в журналі Nature Physics опублікувало четверо співробітників Австралійського національного університету. Експеримент із атомом гелію показав, що до вимірювання властивостей квантового об’єкта неможливо сказати, поведеться він як хвиля чи як частинка. Реальності не існує, доки не з’явиться споглядач. Але чи так це?

До XX століття фізики запекло сперечалися, що ж таке світло. Ісаак Ньютон не сумнівався, що світло — потік маленьких частинок, корпускул. Дослід Юнґа, проведений у 1803 році, показав, що світло — це все ж таки хвиля. Насправді в певних явищах (як-от фотоефект — вибивання світлом електронів із металів) світло поводиться як потік частинок, а в інших (проходження світла крізь дві щілини) — як хвиля. Пізніше явище об’єднали під назвою «корпускулярно-хвильовий дуалізм».

Британець Томас Юнґ направляв світло на екран із двома маленькими, не товстішими від волосинки щілинами. Кожна така щілина ставала новим випромінювачем світла, яке сходилося на віддаленому екрані картиною з білих і темних смуг. Якби світло складалося з частинок, ми побачили б тільки дві світлі смуги навпроти щілин. Юнґ назвав явище інтерференцією світла. Протягом дня ми нерідко спостерігаємо інтерференцію — як різнокольорові плями в калюжі, куди вилито бензин, як колір метелика або ж строкатої пташки. 

Дослід Юнґа повторили вже після відкриття законів квантової механіки з поодинокими фотонами та електронами. За твердженням Луї де Бройля, кожна частинка у Все­світі може показувати і хвильові властивості, якщо взаємодіє з об’єктами, співрозмірними її довжині хвилі. Наприклад, довжина хвилі людини згідно з формулою де Бройля набагато менша за розміри атомів, тому люди ніколи не поводяться як хвилі. А от електрон поводиться. Його й спрямовували через екран із двома маленькими щілинами, що в діаметрі були не більшими за довжину хвилі електрона. А далі починалося незвичне. Якщо експериментатор проводив замір одразу, електрон пролітав крізь щілину частинкою і його шлях можна було відстежити. Якщо ж замір відбувався після проходження щілин, вчені бачили вже знайому інтерференційну картину. Зазвичай це трактують як проходження електрона або ж фотона крізь дві щілини одночасно. Залежність шляху частинки від наявності вимірів назвали «парадокс споглядача».

Читайте також: Як із фундаментальних досліджень виростає наше сьогодення

Слово «споглядач» не найвлучніше. Воно означає наявність експериментальних вимірів і може збивати з пантелику, що призводить до появи безлічі псевдонаукових теорій на кшталт «ми своєю свідомістю впливаємо на електрони». Ервін Шредінґер проілюстрував парадокс відомим уявним експериментом із кішкою. Кішка сидить у закритій коробці, у якій стоїть скляночка з отрутою. До скляночки під’єднано механізм із радіоактивною речовиною. Якщо атом речовини розпадеться, скляночка розіб’ється і кішка помре. Парадокс у тому, що розпад атомів неможливо передбачити, він відбувається випадково з певною імовірністю. Жива чи мертва кішка, ми дізнаємося, лише коли зазирнемо в коробку. До того для нас вона ніби мертва й жива одночасно. Шредінґер, хоч і легендарна для квантової фізики постать, скептично ставився до всього цього неподобства зі споглядачем, абсурдність чого й проілюстрував експериментом із кішкою.

Та в який момент частинка «приймає рішення» про те, як поводитися? Це відбувається в момент проходження крізь щілини? Чи коли вона детектується? У 1978 році Джон Арчибальд Вілер спробував це з’ясувати, запропонувавши експеримент із відкладеним вибором, який реалізували в 2006-му, а потім у 2015-му складнішу версію. Експериментатори направляли поодинокий фотон на напівпрозоре дзеркало, що мало розщепити його на два промені й спрямувати їх двома шляхами завдовжки 48 м кожен. Це аналогічно проходженню фотона крізь дві щілини. У кінці шляхів дослідники могли ставити, а могли не ставити ще одне таке саме дзеркало. Коли ставили, то промені сходилися й давали інтерференційну картинку — фотон поводився як хвиля. Коли прибирали, то тільки один із двох детекторів приймав фотон, тобто він від самого початку був частинкою і йшов лише одним зі шляхів. Найцікавіше те, що рішення прибрати чи залишити друге дзеркало ухвалювали вже після того, як фотон пройшов крізь перше, коли вже «обрав» одну з можливих ліній поведінки. Та саме це рішення виявлялося визначальним у його поведінці (див. малюнок).  

Читайте також: «Наукові» смітники

 Фотон — це безмасовий квант світла. Чи поводитимуться масивні об’єкти так само? Так, поводитимуться. Що й показали Ендрю Маннінґ, Роман Хакімов (до речі, випуск­ник КНУ), Ендрю Траскотт і Роберт Далль у статті, про яку йшлося на початку цього матеріалу. Вони модифікували схему експерименту для роботи з атомами гелію, які продукувало надхолодне джерело з температурою, близькою до абсолютного нуля. У їхній схемі ролі матерії та світла змінилися. Тепер замість кванта світла рухався атом, а от замість дзеркал використовували лазерні ґратки. Результат той самий, що й із фотоном: атом обирав, бути частинкою чи хвилею, лише в момент вимірів. Фотон рухається зі швидкістю світла, а от атом гелію в експерименті дуже повільний. При цьому він також ніби «дізнавався наперед», чи буде в кінці його шляху лазерна ґратка. Ці дані визначальні, адже показують правильність принципу доповнюваності Бора для масивних частинок. За твердженням Нільса Бора, говорити про якийсь об’єкт як про хвилю або ж як про частинку є сенс лише після проведення вимірів. До цього моменту реальність невизначена.

Для сенсації у ЗМІ теза «експеримент підтвердив принцип доповнюваності Бора» не годиться. А ось «фотони отримують інформацію з майбутнього» звучить цілком сенсаційно. Та, на жаль, неправильно. Самі автори у своїй статті застерігають від такого погляду на експеримент. 

 

Новини RedTram

Loading...