Корпускулярно-волновая двойственность

В классической физике объект имеет определенные количественные характеристики независимые от наблюдателя и его измерений. Квантовая механика и многочисленные эксперименты, подтвердившие все ее предсказания, опровергают такое представление. Состояние микрообъекта и его количественные характеристики формируются в процессе измерения и зависят от экспериментальной установки. Это открывает новые возможности для преобразования и обработки информации.

Каждой физической величине в квантовой механике сопоставляется оператор и соответствующее измерительное устройство. Если результат последовательного действия двух операторов зависит от их порядка, то операторы не коммутируют, соответствующие им измерительные устройства взаимно несовместимы, возмущают друг друга, регистрируют отличающиеся характеристики микрочастицы. Операторы координаты и импульса не коммутируют, измерения координаты и импульса микрочастицы не совместимы, их точность ограничена соотношением неопределенностей Гейзенберга . Измерение импульса превращает микрообъект в волну и наблюдается ее интерференция. Измерение координаты превращает микрообъект в локализованную частицу и наблюдается участок ее траектории.

Рассмотрим опыт Юнга, показанный на рис. 1. Микрочастица испускается источником S и проходит через экран K со щелями 1 и 2. Если прохождение через щели не контролируется, то частица в виде волны проходит через обе щели. По принципу Гюйгенса–Френеля волны от щелей дифрагируют, накладываются друг на друга и интерферируют. Частица регистрируется в некоторой точке экрана M. По мере последовательного прохождения многих частиц формируется интерференционная картина с распределением интенсивности регистрируемого сигнала A.

Рис. 1. Опыт Юнга

Если прохождение через щели контролируется, то частица проходит через одну из двух щелей и интерференция не возникает. На экране M появляется распределение интенсивности в виде B при прохождении через щель 1, или C при прохождении через щель 2. Если хаотично открывать щель 1 или щель 2, то получается распределение без интерференции в виде суммы кривых B и C. При интерференции частица является волной и проходит через две щели одновременно. При отсутствии интерференции частица локализована в пространстве – ее траектория проходит через одну щель.

Такой эксперимент провел Anton Zeilinger et al. в 1988 г. с нейтронами, которые не взаимодействуют с окружением через электромагнитные силы. Нейтроны со скоростью пропускались через установку по одному. Длина волны де Бройля нейтрона , ширина щелей , расстояние между двумя щелями . Дифракционный конус после щелей имел угол раствора , и для разделения деталей интерференционной картины потребовалось отодвинуть регистрирующий экран M на расстояние от щелей. Множество зарегистрированных нейтронов в виде точек на экране образовали дифракционную картину, показанную на рис. 3.

Рис. 3. Дифракция нейтрона на двух щелях

Нейтроны проявили волновую природу при прохождении через экран, эксперимент подтвердил предсказания квантовой механики. Полученный результат поразителен – частица распространяется одновременно через две щели разными путями. По этому поводу выразились классики физики ХХ века:

Ричард Фейнман – «это явление, которое невозможно, абсолютно невозможно объяснить классическим путем, выражает суть квантовой механики»;

Нильс Бор – «если человек не шокирован квантовой теорией, то он ее просто не понял»;

Альберт Эйнштейн – «квантовая механика – настоящая черная магия».

Результаты экспериментов, выполненные за последние десятилетия и изложенные далее, многократно усиливают такое впечатление.

Вернер Гейзенберг в 1927 г. предложил схему, где микрообъект оказывается волной или частицей по воле экспериментатора, управляющего регистрирующим устройством на расстоянии. От точечного источника S на рис. 4 микрочастицы с одинаковой кинетической энергией по одной проходят через преграду K со щелями 1 и 2 и регистрируются на экране M. Дополнительное световое излучение I подсвечивает щели и проходящую микрочастицу. Рассеянное излучение собирается линзой L на фото-экран P. При установке фото-экрана в плоскость возникает сфокусированное изображение щелей и идущей через них микрочастицы. В результате контроля положения микрообъект регистрируется как локализованная в пространстве частица, проходит только через одну щель и не создает интерференционной картины на экране M.

Рис. 4. Микроскоп Гейзенберга

При установке фото-экрана в плоскость , находящуюся на фокусном расстоянии от линзы, сфокусированной в точку на фото-экране оказывается падающая на линзу под некоторым углом плоская световая волна, имеющая определенный импульс. При этом невозможно определить через какую щель проходит микрочастица, она оказывается волной, распространяется одновременно через обе щели и создает интерференционную картину на экране M.

Перемещение экспериментатором фото-экрана P изменяет состояние микрочастицы, преобразует ее из частицы в волну или наоборот, что свидетельствует о корпускулярно-волновой двойственности (дуализме) микрочастицы и зависимости ее состояния от настройки экспериментальной установки. Следовательно, измерительное устройство формирует объект и его количественные характеристики.

Экспериментальная реализация микроскопа Гейзенберга выполнена в 1998 г. при помощи перепутанных фотонов.