Лекция 3. Электроны и их взаимодействия
Это третья из четырех лекций, посвященных весьма трудному предмету – квантовой электродинамике. И так как сегодня слушателей явно больше, чем было раньше, то, значит, многие из вас не слышали первых двух лекций. Им эта лекция покажется почти полностью непонятной. Те же, кто слышал первые две лекции, также сочтут эту лекцию непонятной, но они знают, что так и должно быть: я уже объяснял на первой лекции, что мы вынуждены описывать поведение Природы, как правило, непонятным образом.
В этих лекциях я хочу рассказать о наиболее изученном разделе физики – взаимодействии электронов со светом. Большая часть знакомых вам явлений основана на взаимодействии электронов со светом – например, вся химия и биология. Эта теория не охватывает только гравитационные и ядерные явления; все остальное в ней содержится.
На первой лекции мы обнаружили, что у нас нет наглядного механизма для описания даже такого простейшего явления, как частичное отражение света от стекла. Кроме того, мы не можем предсказать, отразится ли данный фотон, или пройдет сквозь стекло. Все, что мы можем сделать – посчитать вероятность конкретного события – отражения света в данном случае. (Она равна примерно 4 %, когда свет прямо падает на одиночную поверхность стекла; при наклонном падении вероятность отражения возрастает.)
Если мы имеем дело с вероятностями в обычных условиях, выполняются следующие «правила соединения»: 1) если событие может произойти взаимоисключающими способами, мы складываем вероятности всех различных способов; 2) если событие происходит поэтапно или в результате ряда независимых событий, мы перемножаем вероятности всех этапов (или событий).
В фантастическом и удивительном мире квантовой физики вероятности вычисляются как квадраты длин стрелок. Там, где в обычных условиях мы сложили бы вероятности, мы неожиданно для себя «складываем» стрелки; там, где умножили бы вероятности – «перемножаем» стрелки. Необычные ответы, получаемые при вычислении вероятностей таким способом, прекрасно соответствуют результатам эксперимента. Мне как раз очень нравится, что мы должны прибегать к таким необычным правилам и странным рассуждениям, чтобы понять Природу, и я всегда с удовольствием рассказываю об этом. За этим анализом Природы нет никакого скрытого механизма, «колесиков и шестеренок». Если вы хотите понять Ее, вы должны принять это.
Прежде чем перейти к основной части этой лекции, хочу показать вам еще один пример поведения света. Я расскажу об очень слабом свете одного цвета, который распространяется из источника S в детектор D (см. рис. 49) в виде одиночных фотонов. Поместим экран между источником и детектором и проделаем в нем два очень маленьких отверстия в точках А и В, находящихся на расстоянии в несколько миллиметров друг от друга. (Если расстояние между источником и детектором 100 сантиметров, размер дырочек должен быть меньше, чем десятая доля миллиметра.) Пусть точка А лежит на одной прямой с точками S и D, а точка В – несколько в стороне от А, не на этой прямой.
Рис. 49. Через каждое из двух маленьких отверстий (в точках A и В экрана, расположенного между источником S и детектором D, в случае, если открыто только одно) проходит примерно одинаковое количество света (в данном случае 1 %). Когда открыты оба отверстия, происходит «интерференция». Детектор щелкает от 0 до 4 % случаев в зависимости от расстояния между А и В (см. рис. 51, а).
Закрыв отверстие в В, получим в D некоторое количество щелчков, представляющих фотоны, прошедшие через А (скажем, детектор щелкает в среднем один раз на каждые 100 фотонов, испускаемых источником S, т. е. в 1 % случаев). Мы знаем из второй лекции, что если закрыть отверстие в А и открыть отверстие в В, получится примерно такое же, в среднем, количество щелчков – так как отверстия очень маленькие. (Когда мы слишком «сжимаем» свет, правила обычного мира – например, что свет распространяется прямолинейно – нарушаются.) Когда мы открываем оба отверстия, то получается сложный результат, связанный с наличием интерференции. При некотором расстоянии между отверстиями мы получаем щелчков больше, чем ожидаемые 2 % (вплоть до ~ 4 %); а чуть изменив это расстояние, вообще не получаем щелчков.
Естественно было бы ожидать, что открытие дополнительного отверстия всегда будет увеличивать количество света, попадающего в детектор. Но в действительности это не так. Поэтому неправильно говорить, что свет «распространяется или по одному пути, или по другому». Я все еще ловлю себя на том, что говорю: «Он распространяется по этому пути или по тому пути». Однако когда я так говорю, я должен иметь в виду, что подразумевается сложение амплитуд: имеется амплитуда прохождения фотона по одному пути и амплитуда прохождения по другому пути. Если амплитуды взаимно гасят друг друга, свет не будет распространяться, если даже, как в данном случае, открыты оба отверстия.
А вот еще одна странная особенность Природы, о которой мне хотелось бы рассказать. Предположим, мы помещаем в точках A и В специальные детекторы (можно сконструировать детектор, показывающий, прошел ли через него фотон) и теперь знаем, через какое отверстие (отверстия) проходит фотон, когда оба они открыты (см. рис. 50). Раз вероятность того, что одиночный фотон попадет из S в D, зависит только от расстояния между отверстиями, то, видимо, фотон как-то незаметно разделяется на два, а потом снова соединяется, не так ли? В соответствии с такой гипотезой, детекторы в А и В всегда должны срабатывать одновременно (возможно, вполсилы?), тогда как детектор в Dдолжен срабатывать с вероятностью от нуля до 4 % – в зависимости от расстояния между А и В.
А вот что происходит на самом деле: детекторы в А и В никогда не срабатывают одновременно – срабатывает детектор в А или детектор в В. Фотон не разделяется на два: он распространяется либо по одному, либо по другому пути.
Рис. 50. Если в точках А и В расположены специальные детекторы (*), показывающие, по какому из путей распространяется свет при двух открытых отверстиях, эксперимент меняется. Поскольку фотон всегда проходит или через одно, или через другое отверстие (в случае, если вы за ними следите), имеются два конечных состояния: 1) сработали детекторы в А и D и 2) сработали детекторы в В и D. Вероятность того, что случится каждое из этих событий, равна примерно 1 %. Вероятности двух событий складываются обычным способом, и вероятность срабатывания детектора в D оказывается равной 2 % (см. рис. 51, б)
