Эксперимент по намерению. Запустите сценарий счастливой жизни - [16]
Цайлингера особенно интересовали суперпозиция и следствия Копенгагенской интерпретации – то, что субатомные частицы существуют только в состоянии потенциала. Ему хотелось понять: могут ли объекты, а не просто субатомные частицы, входящие в их состав, существовать в таком состоянии «зеркального коридора»? Чтобы ответить на этот вопрос, Цайлингер применил интерферометр Тальбота-Лоу – аппарат, разработанный его коллегами из Массачусетского технологического института, – основываясь на вариации известного эксперимента с двойной прорезью, проведенного Томасом Юнгом, британским физиком XIX века. В эксперименте Юнга поток чистого света посылался через отверстие, или прорезь, на кусок картона, проходя затем сквозь второй экран с двумя отверстиями и, наконец, попадая на третий, пустой экран.
Когда две волны действуют синфазно (то есть поднимаются и опускаются одновременно) и сталкиваются друг с другом – что называется «интерференцией», – объединенная интенсивность волн превосходит индивидуальную амплитуду каждой из них. Сигнал усиливается. Происходит запечатление или обмен информацией, что называется «конструктивной интерференцией». Если же одна волна поднимается в то время, когда другая опускается, то они аннулируют друг друга, что называется «деструктивной интерференцией». При конструктивной интерференции, когда волны синхронны, свет усиливается; деструктивная интерференция уничтожает свет и приводит к полной темноте.
В эксперименте свет проходил через две прорези, образуя чередующиеся черные и белые полоски на последнем экране. Если бы свет был просто потоком частиц, тогда две самые яркие полоски были бы расположены сразу за двумя прорезями на втором экране. Однако самым ярким оказался участок посередине между двумя прорезями, созданный волнами, которые в наибольшей степени взаимодействовали друг с другом. Таким образом, Юнг первым понял, что свет, пробивающийся сквозь две прорези, распространяется в виде перекрывающих друг друга волн.
В современной версии этого эксперимента через двойную прорезь проходят отдельные фотоны. Они также отображают полоски на экране, показывая, что даже отдельные единицы света перемещаются в виде размытой волны, обладающей значительной сферой влияния.
Физики XX века проводили эксперимент Юнга с другими отдельными квантовыми частицами, тем самым доказав, что квантовая физика имеет свойства «зазеркалья»: частицы ведут себя как волны и проходят через обе прорези сразу. Направьте поток электронов через три экрана – и вы получите интерференцию: чередующиеся светлые и темные полосы, что уже наблюдалось в случае частиц света.
Поскольку для создания интерференции такого вида необходимы как минимум две волны, на основании данного эксперимента можно сделать вывод, что фотон каким-то образом умудряется проходить через две прорези одновременно и интерферировать с самим собой.
В эксперименте с двойной прорезью содержится основная загадка квантовой физики – идея того, что субатомная частица не находится в каком-то определенном месте, а представляет собой целый «стадион». Этот опыт также демонстрирует принцип, согласно которому все электроны, существующие в герметическом квантовом состоянии, абсолютно непознаваемы. Вы ничего не можете узнать о квантовой сущности, пока не остановите ее – только после этого она примет определенное состояние.
В варианте эксперимента, проведенного Цайлингером, интерферометр, использующий вместо субатомных частиц молекулы, имел набор прорезей на первом экране и решетку из идентичных параллельных разрезов на втором, предназначавшихся для задержания или отклонения проходящих через них молекул. Третья решетка, развернутая перпендикулярно потоку молекул, играла роль сканирующей «маски», способной вычислять размер волн любой проходящей молекулы с помощью высокочувствительного лазерного детектора. Это делалось для того, чтобы определить позиции молекул и схемы их интерференции.
Для первого эксперимента Цайлингер и его команда тщательно выбрали молекулы фуллерена, состоящие из 60 атомов углерода. Размером в один нанометр каждая, они являются гигантами молекулярного мира. Фуллерен был выбран не только за свой размер, но и за четкую структуру, напоминающую симметричный футбольный мяч.
Это была тонкая операция. Группе Цайлингера необходимо было работать с четко установленной температурой. Даже самый незначительный перегрев молекулы вызвал бы ее распад. Цайлингер нагревал молекулы фуллерена, так называемые бакиболлы, до 900 градусов Кельвина, чтобы они могли создать интенсивный молекулярный поток. Далее он «проводил» их через первый экран, затем они проходили через второй экран, а на третьем образовывали рисунок. Результаты были однозначными: каждая молекула продемонстрировала способность к интерференции с самой собой. Некоторые наиболее крупные единицы физической материи не «локализовались» в окончательном состоянии. Как и субатомные частицы, эти гигантские молекулы не застыли во что-то определенное.
Венская команда провела исследования с некоторыми другими молекулами, которые были в два раза крупнее и имели неправильную форму, чтобы проверить, будут ли геометрически асимметричные молекулы демонстрировать такие же «волшебные» свойства. Они остановили свой выбор на гигантских молекулах фторированного углерода в форме футбольного мяча, состоящих из 70 атомов углерода и напоминающих по форме оладьи молекулах тетрафенилпорфирина. Состоящие из более чем 100 атомов, эти молекулы являются одними из самых больших на планете. И снова каждая из них интерферировала сама с собой.
