ПАРАДОКС КОШКИ

Сергей ИВАНОВ

И стория сохранила

забавный диалог,

состоявшийся между Эйнштейном и Бором лет 70 тому назад в кулуарах одного из конгрессов по физике.

- Скажите же мне, наконец, что такое свет! - воскликнул Бор, трагикомически потрясая руками.

- Обратитесь к немецкому правительству, - ответил Эйнштейн, - и пусть оно постановит, что свет - это волна, и тогда запретит пользоваться фотоэлектронными приборами, или что свет - это частица, и тогда поставит вне закона дифракционные решетки.

Этот полуанекдот любит вспоминать Дэвид Причард, физик из Массачусетсского технологического института, объясняя непосвященным теоретические основы своего уникального эксперимента.

Свыше ста лет ученые были убеждены, что свет - это волна, то есть электромагнитное излучение в определенном диапазоне волн. И только. И больше ничего. Но вот в 1905 году Эйнштейн доказал, что свет может проявлять себя и как движение волн, и как поток частиц.

В физике началось смятение умов. Нужно было свыкнуться с мыслью, что нечто может быть одновременно и тем, и другим - и обладать совершенно противоположными свойствами. Это смятение и спародировал Бор в своем патетическом вопросе.

Но не успел научный мир привыкнуть к двойственной природе света, как его ожидало еще большее потрясение. Оказывается, все на свете имеет двойственную природу. Французский физик Луи де Бройль предположил, что если волны могут вести себя как частицы, то и частицы могут вести себя как волны.

Когда в 1929 году де Бройлю вручали Нобелевскую премию, представитель Шведской королевской академии наук прежде всего поставил ему в заслугу «блестящую догадку», что нет двух миров: одного - света и волн и другого - материи и частиц. Есть один общий мир.

Гипотеза де Бройля получила экспериментальное подтверждение в опытах американских физиков Клинтона Дэвиссона и Лестера Джермера, а также английского физика Джорджа Томсона. Все трое наблюдали волновое поведение электронов. Оно легло затем в основу электронного микроскопа, который изобрел немецкий ученый Эрнест Руска.

Де Бройль не просто высказал догадку - он вывел формулу, в которой показал зависимость между массой частицы, скоростью и длиной ее волны. Чем больше масса, или, что одно и то же, энергия, тем меньше длина волны. Самая большая длина волны у фотона. У электрона - в 10 тысяч раз короче. У тяжелой частицы нейтрона - еще короче. И совсем коротенькая у атома.

Да, любой атом тоже обладает волновыми свойствами. Хотя де Бройль говорил в основном об электронах, имел он в виду любой материальный объект. И физики, измерив волны всех частиц, а сравнительно недавно и всех атомов, только и ждали подходящего случая, чтобы пронаблюдать волновые свойства молекул и убедиться в том, что четкой границы между микромиром и нашим обычным миром не существует.

Случай представился в начале нынешнего года. Дэвид Причард взял порошок натрия, превратил его в газ, и лучи, испускаемые молекулами газа, направил на дифракционную решетку - тот самый прибор, который, как сказал Эйнштейн, следовало бы поставить вне закона, если бы было вынесено постановление считать свет только потоком частиц. Как раз дифракционная решетка и показывает волновую природу света. Устроена она просто: в непрозрачном экране сделано множество параллельных щелочек. Хитрость в том, что эти щелочки должны быть соизмеримы с длиной волны света или исследуемых частиц. Если у молекул длина волны самая маленькая, меньше, чем у атомов, то и щелочки должны быть совсем крошечные.

Дифракционная решетка может расщепить волну света на две неравные части. Потом их легко собрать вместе, наложить друг на друга, и перед нами возникнет знакомая со школьной скамьи картина интерференции - чередования светлых и темных колец, иначе «колец Ньютона», названных в честь того, кто их первым увидел.

Но это свет, а что получится с волнами молекул? У Причарда луч натрия также разделился надвое. Оба луча достигли в разных местах второй решетки, и та направила их дальше. Но чтобы они двигались не по параллельной траектории, а вскоре соединились вновь, их пропустили через две смежные камеры, разделенные фольгой.

В одной камере был газ, и он слегка изменил траекторию луча. Выйдя из камер, лучи соединились, но поскольку, как выражается Причард, их «жизненный опыт» оказался различным, они не слились, а интерферировали, нарисовав на финише картинку, которую Ньютон узнал бы с первого взгляда, если бы ее было видно. Но так как в отличие от световых волн молекулярные невидимы, смотреть Ньютону пришлось бы лишь на показания интерферометра, который Причард сконструировал специально для данного случая, скрестив дифракционную решетку с детектором атомов. Гордится он своим детищем не меньше, чем открытием у молекул такой же двойственной природы, как у света, и предрекает ему большое будущее.

Так же, как и его коллеги, увлеченные мезофизикой, то есть буквально «промежуточной физикой» - промежуточной по отношению к квантовому микромиру и нашему макромиру, - Причард задается вопросом: каковы же максимальные размеры объектов, на которые распространяются законы квантового мира? Ну, например, принцип неопределенности Гейзенберга, говорящий, что нельзя одновременно измерить скорость и положение частицы. Или какова сфера применимости парадокса кошки?

Эрвин Шрёдингер, австрийский физик и Нобелевский лауреат, придумал однажды гипотетический прибор, который, как ему представлялось, уравнивал микромир с нашим повседневным миром. В герметичный ящик помещают кошку и капсулу с ядом. Капсула связана с пусковым механизмом, который срабатывает после распада радиоактивного атома. Вероятность распада 50 процентов. Если атом распадется во время эксперимента, кошка погибнет, если нет - останется жива.

Так вот, с точки зрения квантовой механики, которая стремится рассмотреть все возможности, кошка пребывает в так называемом состоянии суперпозиции - о ней нельзя сказать, что она либо жива, либо нет. Одна жива и мертва одновременно. И это будет продолжаться до тех пор, пока мы не откроем ящик, чтобы взглянуть на кошку, сведя на нет ее «волновую функцию», сделаем ее состояние однозначным.

Карлос Страуд и Майкл Ноэль из Рочестерского университета (штат Нью-Йорк) изучают атомные эквиваленты шрёдингеровской квантовой кошки. Обычно физики рассматривают электроны, обращающиеся по орбитам атомного ядра, в виде размытых облаков или пятнышек, что не мешает им оставаться и частицей, и волной.

Страуд и Ноэль прицелились в один из электронов атома калия, находящийся на самой удаленной от ядра орбите, и послали в него два лазерных импульса. Каждый импульс длился 25 миллиардных доли секунды. Подобно волне, прошедшей сквозь дифракционную решетку, электрон разделился на два разных состояния - точь-в-точь как шрёдингеровская кошка. На атомной орбите возникла интерференция, параметры которой удалось измерить тем же лазером.

Ученые обнаружили и совсем поразительные вещи. Электрон оказался не только в двух разных состояниях, как бы наложенных друг на друга, но и в двух разных местах - на прежней своей орбите и на орбите, близкой к центру атома. «Когда бомбардируешь атом лазером, он на краткий миг увеличивается в размерах, как бы распухает, - рассказывает Страуд. - В это время электроны становятся хорошо различимы. Электрон больше похож на маленький шарик или на каплю, и не на облачко, обозначающее, как мы привыкли думать, просто район, где он может находиться. Вспоминаешь, что электрон - это не только волна, какой он только что представлялся тебе, но еще и частица».

Большинство исследований в мезофизике посвящено волновым свойствам материи. Большинство, но не все. Если Причард создает из молекул волны, то физики Стэнфордского университета в Калифорнии пытаются создать из световых волн молекулы. Они хотят объединить фотоны друг с другом, подобно атомам в молекуле. Идея заключается в том, объясняет Джозеф Джекобсон, руководитель стэнфордских физиков, чтобы запустить связку фотонов в специальный квантовый прибор, где эта связка (то есть как бы молекула) окажется в положении шрёдингеровской кошки: «все или ничего» одновременно. Конечный результат - погибнет молекула или останется жива - ученые узнают по интерференционной картине.

Физики говорят, что для интерферометрии наступает золотой век. Без интерферометров не обходится ни один эксперимент в мезофизике. Но главное впереди. Главное - это лазерный интерферометр, которым будут улавливать и измерять гравитационные волны. Специальные обсерватории строятся для этой цели в двух местах - близ Ричланда (штат Вашингтон) и близ Ливингстона (штат Луизиана).

Строятся они затем, чтобы проверить одно предсказание Эйнштейна. Если подсчитать, во что обходится человечеству проверка эйнштейновских предсказаний, получится кругленькая сумма. А конца им еще не видно. К счастью, все они сбываются, так что деньги зря не пропадают.

Не пропадут, ученые уверены, и 85 миллионов, которые будут истрачены на лазерные интерферометры. Экстраординарные космические события, вроде взрыва сверхновой или столкновения «черных дыр», которые то и дело происходят во Вселенной, должны порождать гравитационные волны. Если очень постараться, их, по словам Эйнштейна, можно будет регистрировать на Земле, куда донесется эхо космических катаклизмов.

Оно будет очень слабым. Понадобится интерферометр гигантских размеров, а для верности лучше два. Вот почему строят их в двух местах. Строят в виде латинской буквы L. Каждый из двух перпендикуляров, образующих эту букву, вытягивается на четыре километра. Система полупрозрачных зеркал расщепит лазерный луч на две половинки, половинки помчатся по четырехкилометровым каналам, чтобы соединиться в интерференционной картине. Исследуя ее, физики обнаружат едва заметные колебания пространства-времени, причиной которых могли быть только гравитационные волны. В нашем представлении о мире исчезнет еще одна неясность.