Волны вероятности

Опыт Юнга в микромире, Вероятностная интерпретация волновых законов, Квантовые флуктуации, новый тип причинности и соотношение неопределенностей, ... Итак, физики выяснили: не только кванты света, но и другие частицы микромира проявляют волновые свойства, и при этом они не являются волнами. В самом деле - отдельные фотоны не «разбивались на части», чтобы интерферировать «с собой», проявляли корпускулярные свойства при взаимодействии с атомами покрытия фотопластинки. Но они также не являются корпускулами, так как большое количество фотонов или электронов, не взаимодействующих между собой, дают нам «волновую» интерференционную картину. Еще интереснее станет результат, если снабдить отверстия в ширме какими-то элементами, чувствующими прохождение фотона (конечно, для этого они должны взаимодействовать с фотонами, но мы постараемся сделать так, чтобы это взаимодействие было по возможности слабее). Оказывается, что в этом случае всегда срабатывает только один элемент, то есть квант действительно оказывается неразделимым и проходит только через одно отверстие в ширме. Но при этом исчезает интерференционная картина - на фотопластинке мы найдем простое сложение интенсивности двух одинаковых пятен от отверстий. Ситуация, наблюдаемая в опыте Юнга «с подглядыванием», точно такая же и в случае микрочастиц. Получается, что в опыте, в котором мы «не подглядываем» за одиночным фотоном или электроном, они как-то делятся пополам, и их половины интерферируют. Если же «подглядываем», то они как-то узнают об этом заранее, идут через одно отверстие, и уже не могут интерферировать. Физики в большинстве своем не поверили в такие действия со стороны микрочастиц. «Природа сложна, но не злонамеренна» - отреагировал на эти рассуждения А. Эйнштейн. Как все это «осознать» и как все это описать в рамках математической модели? Способ связать все эти факты в одну картину был предложен Максом Борном в 1929 году: он предложил признать, что все микрообъектьы не являются ни волнами, ни корпускулами (это некое совершенно новое по природе образование), а управляющими ими законы носят вероятностный характер. Это означает, например, что уравнения, описывающие распространение некой связанной с фотоном волны, описывают распространение вероятности нахождения фотона в том или ином месте. Если при движении фотона от источника до фотопластинки через ширму на него не производили никаких воздействий, выделяющих одно из отверстий, то волна вероятности пройдет через оба отверстия без нарушения когерентности, и (благодаря интерференции) произойдет перераспределение вероятностей попадания фотона в то или иное место на фотопластинке. Для каждого фотона какая-то из вероятностей реализуется при его взаимодействии с фотопластинкой, и он попадает в один ее атом. При накоплении большого числа фотонов большее их число попадает туда, где при интерференции вероятность стала выше - там будет светлая зона, а там, где при интерференции вероятность стала меньше - темная зона. Когда мы включаем «режим подглядывания», мы должны у каждого из отверстий установить какой-то материальный объект, который будет взаимодействовать с фотонами, и он неминуемо изменит отвечающую фотону волну вероятности. Даже при «самом аккуратном подглядывании» за фотонами мы разрушаем когерентность волн вероятности - если уж мы определили, через какое отверстие пролетел фотон, то мы и внесли искажение в волну вероятности. Тогда каждый фотон после ширмы летит только от одного отверстия, и никакой интерференционной картины увидеть уже нельзя. Таким образом, волны де Бройля - это волны вероятности! Впрочем, сам де Бройль с этим так и не согласился. Важно четко понимать, насколько серьезные изменения наших представлений о мире предлагает эта интерпретация законов. Мы отказываемся от строгих законов - теперь все законы позволяют предсказывать только вероятности событий, а не сами события. Мы почти никогда не сможем с помощью одного измерения узнать исходное состояние микрообъекта - только набрав статистику многих измерений в одном и том же начальном состоянии, мы оценим вероятности для каждого из результатов, и по ним примерно определим начальное состояние. Мы отказались от классической причинности - если мы полностью воспроизводим все причины некоторого свершившегося события, это не означает, что оно свершиться снова. Это лишь означает, что у нас будет тот же набор возможных событий, что и раньше, с теми же вероятностями того, что они произойдут. Далеко не все физики в XX веке согласились со столь радикальными изменениями. Многие (среди и них были и те, кто вначале участвовал в создании квантовой физики - например, А. Эйнштейн) достаточно долго пытались построить альтернативную модель, которая должна была «вернуть» на строгие законы и классическую причинность. Но до сих пор такая модель не построена. А те, кто выбрал квантовую теорию, построенную на вероятностных законах, достигли за это время очень серьезных успехов - предсказывали и открывали новые явления, изучили и научились просчитывать структуру м...