Характер физических законов - Ричард Фейнман

Рис. 32

Прежде всего мы заметим, что наш электрический детектор, на выходе которого мы поставим достаточно мощный усилитель, все время щелкает: электроны попадают в него дискретно, строго по порциям. Каждый щелчок – это заряд определенной величины, и эта величина все время постоянна. Если вы уменьшите накал источника, щелчки будут все реже, но все равно заряд каждого щелчка тот же, что и раньше. Если же усилить накал, щелчки посыплются, как из мешка, и в усилителе возникнет затор. Поэтому, для того чтобы прибор, который вы собираетесь использовать в качестве детектора, работал, нужно выбрать такой накал нити, при котором щелчки происходили бы не слишком часто. Затем, если поместить в другом месте другой точно такой же детектор и проследить за их работой одновременно, можно заметить, что никогда не бывает двух щелчков, происходящих одновременно, по крайней мере если накал достаточно слаб, точность фиксации времени щелчка удовлетворительна. Если уменьшить интенсивность источника так, чтобы щелчки стали редкими и достаточно разнесенными друг от друга, то одновременных щелчков в обоих детекторах не бывает. А это значит, что возникающие события происходят дискретно, порциями, и что в данный момент времени такая порция может находиться лишь в одном месте. Итак, электроны или фотоны попадают в детектор по одному, дискретно, порциями. Поэтому мы можем поступить так же, как и в случае с пулями: мы можем измерить вероятность появления. Для этого нам нужно периодически менять положение детектора (конечно, если хочется, мы можем, хотя это и дорого, установить целую серию детекторов на поверхности последнего экрана и снимать кривую одновременно во всех точках), оставляя его в каждой конкретной точке, скажем, в течение часа, и записывать в конце этого часа число зарегистрированных электронов, а затем усреднить это число. Так что же мы получим для числа зарегистрированных электронов? Кривую N12 того же типа, что и в опыте с пулями? Кривая N12, соответствующая случаю, когда оба отверстия открыты, показана на рис. 32. Как видите, экспериментально установлено, что эта кривая оказывается такой же, как и в опыте с интерференцией волн. Но чему же соответствует эта кривая? Не энергии, заключенной в волнении, а вероятности попадания одной из этих порций в детектор.

Соответствующие математические выкладки чрезвычайно просты. Мы заменили I на N, так что нам придется заменить h на что-то другое, совсем новое, – это никакая не высота, – в связи с чем мы и придумаем параметр а, который будем называть амплитудой вероятности, так как мы все равно не знаем, что это значит. Тогда через a1 обозначим амплитуду вероятности попадания сквозь отверстие 1, а через а2 – амплитуду вероятности попадания сквозь отверстие 2. А для того чтобы определить амплитуду полной вероятности попадания, нужно сложить обе эти амплитуды, а сумму возвести в квадрат. Это будет точной имитацией того, что происходит с волнами, а пользоваться теми же математическими выкладками мы стали в этом случае потому, что результирующая кривая получается в нашем случае точно такой же, как и в опыте с волнами.

Теперь мне нужно проверить еще один факт: выяснить, есть ли здесь интерференция или нет. Ведь мы пока еще не говорили, что происходит, если закрыть одно из отверстий. Попытаемся проанализировать получающуюся любопытную кривую, предполагая, что электроны попадают в детектор либо через одно отверстие, либо через другое. Закроем одно из отверстий и измерим, сколько электронов попадает в различные участки последнего экрана через отверстие 1. В результате получим простую кривую N1. Точно так же мы можем закрыть второе отверстие, измерить число электронов, попадающих в детектор через отверстие 2, и получим кривую N2. Тем не менее, если открыть оба отверстия, мы не получим суммы N1 + N2, так что интерференция действительно есть. Значит, в самом деле нужно при математических выкладках пользоваться этой странной формулой, согласно которой вероятность попадания равна квадрату амплитуды, которая, в свою очередь, представляет собой сумму двух слагаемых: N12 = (a1 + a2)2. Вопрос как раз и заключается в том, как же так может быть, что если электроны проходят лишь через отверстие 1, они оказываются распределенными одним образом, когда они проходят лишь через отверстие 2, они распределяются по-другому, но тем не менее в том случае, когда открыты оба отверстия, не получается суммы двух этих распределений. Например, если детектор установить в положении q и открыть оба отверстия, в него практически ничего не попадет, но в то же время стоит мне закрыть одно из них, детектор начнет работать независимо от того, какое из отверстий было закрыто. Опять откроем оба отверстия, и вновь ничего. Мы позволили электронам пролетать в детектор через оба отверстия, а они сразу перестали прилетать совсем. Или выберем точку строго посредине: нетрудно убедиться, что здесь число прилетающих электронов больше суммы электронов, прилетающих через каждое отверстие по отдельности. Кажется, если подумать хорошенько, всегда можно найти какое-то объяснение: например, электроны могут возвращаться обратно через те же отверстия, а затем проходить через них еще раз, или с ними происходит какой-нибудь другой сложный процесс, или возникает возможность расщепления электрона на два, пролетающих через разные отверстия, или что-нибудь в этом роде, как-то объясняющее это явление. Но пока еще никому не удалось придумать удовлетворительное объяснение такого рода, потому что конечный вид математических закономерностей очень уж прост (суммарная кривая получается очень простой (см. рис. 32)).

Теперь подведем итог. Итак, электроны попадают в детектор дискретными порциями, как если бы это были частицы, но вероятность попадания этих частиц определяется по тем же законам, по каким определяется интенсивность волнения воды. Именно в этом смысле можно говорить, что с одной точки зрения электрон ведет себя как частица, а с другой – как волна. Он ухитряется одновременно быть двумя совершенно разными понятиями (см. табл. 2).

Вот и все, что можно сказать по этому поводу.

Я мог бы привести сейчас математическое описание того, как вычислять вероятность попадания электрона при произвольных обстоятельствах, и в принципе на этом можно было бы закончить лекцию. Но в том, что природа ведет себя именно так, а не иначе, есть несколько тонкостей. Мы сталкиваемся с целым рядом непонятных явлений, и именно о них мне и хотелось бы поговорить сейчас, поскольку они не вытекают сразу же из того, что рассказано мной выше.

Таблица 2

Начнем с одного утверждения, казалось бы разумного, поскольку мы установили дискретный характер электронов или фотонов. Так как в детектор приходит нечто целое (электрон в нашем примере), по-видимому, разумно предположить, что электрон попадает в детектор либо через отверстие 1, либо через отверстие 2. Кажется очевидным, что, так как электрон нечто целое и неделимое, ничего другого и не может быть. Назовем это утверждение утверждением А.

Электрон попадает в детектор

либо через отверстие 1,

либо через отверстие 2.

На самом деле мы уже немного говорили о том, что происходит с утверждением А. Если бы было верно, что электрон попадает в детектор либо через отверстие 1, либо через отверстие 2, то общее число зарегистрированных электронов должно было бы распадаться на сумму электронов двух типов. Общее число этих электронов было бы суммой числа электронов, прилетевших через первое отверстие, и числа электронов, прилетевших через второе. Но так как суммарную кривую не удается представить таким удобным образом в виде суммы двух других кривых и поскольку эксперимент, позволяющий регистрировать прилетающие электроны в случае, когда открыто только одно отверстие, показывает, что в случае двух отверстий мы не наблюдаем суммы двух вероятностей появления, приходится заключить, что это утверждение неверно. Но если неверно, что электрон попадает в детектор либо через отверстие 1, либо через отверстие 2, может быть, он временно распадается на две половины или что-нибудь в этом роде. Итак, утверждение А ложно. Такова логика. К сожалению или нет, но логику можно проверять экспериментально. Теперь нам нужно решить, что же происходит на самом деле. Попадает ли электрон в детектор либо через отверстие 1, либо через отверстие 2, или, может быть, он успевает проскочить каждое из отверстий по нескольку раз в разных направлениях, или расщепляется временно на две части, или что-нибудь другое в этом же духе.