Поля, частоты и информация
Длина волны обратно пропорциональна частоте. Герц (Гц) – единица частоты, 1 Гц равен одному циклу в секунду. Спектр электромагнитного излучения очень широк: ультрафиолет солярия или рентгена имеет длину волны менее 100 нанометров при частоте более 3 × 1015 Гц. У видимого света длина волны колеблется в пределах от 300 до 800 нанометров, радар или спутниковое телевидение используют длину волны от 1 мм до 3 см, микроволновка – длину волны около 10 см, мобильник – длину волны 30 см (при частоте 1 ГГц), телевидение – длину волны 1 м (300 МГц), средние радиоволны – 300 м (1 МГц), подводные лодки поддерживают связь на волнах длиной более 3000 км (менее 100 Гц). Чем больше длина волны, тем ниже частота и тем лучше досягаемость или прием. Переменный ток в нашем доме имеет частоту 50 Гц. Звуковые волны, которые мы в состоянии услышать (в молодом возрасте), имеют частоту в пределах от 20 до 24000 Гц. Все сенсорное восприятие опирается на информацию, полученную от этих волн: мы видим цвета благодаря информации от световых волн, мы слышим разные звуки и тона благодаря звуковым волнам с разными частотами. Мы ощущаем кожей тепло благодаря тепловым волнам – инфракрасному световому излучению солнца, имеющего частоту примерно 1013 Гц.
Информация, к которой обращаются астрономы, выдвигая теории о происхождении Вселенной, в основном опирается на изображения, полученные с космического телескопа «Хаббл». С помощью этого телескопа астрономы получили изображения галактик, находящихся на расстоянии 5 миллиардов световых лет, видели взрывы звезд на расстоянии 42 миллионов световых лет. Поскольку информация об этих чрезвычайно отдаленных событиях сохранена в световых волнах, теперь у нас есть их предельно четкие изображения. Информация, зашифрованная в световых волнах, сохраняется без изменений в течение как минимум 5 миллиардов световых лет. Возможности хранения информации в виде волновых функций выглядят потенциально бесконечными и вечными.
В основе нашей системы глобальной связи лежит зашифровка и расшифровка информации, сохраненной в виде конкретных частот (длин волн) электромагнитного поля, которое не обязательно становится видимым для наших органов чувств. Для того чтобы получать и передавать такую информацию, мы пользуемся радио, телевидением, мобильными телефонами и беспроводными интернет-технологиями. Все наше мировоззрение строится на основе информации, которую мы принимаем в сознание посредством органов чувств. Наше сознание пользуется этой информацией, чтобы формировать наши представления о мире и о себе. Для того чтобы принимать все это огромное количество информации сознанием, нам необходим какой-нибудь приемник, способный улавливать или расшифровывать фактические данные, зашифрованные в волнах: мобильный телефон, радио, телевизор и беспроводной компьютер.
Квантовая теория и корпускулярно-волновая дополнительность
Как уже было сказано, квантовая физика возникла в начале ХХ века потому, что некоторые природные явления нельзя было объяснить с помощью классической физики. Ученые уже некоторое время знали, что при нагревании металла фактическое увеличение интенсивности света, особенно в ультрафиолетовом спектре, не соответствует предсказанному увеличению. В 1900 году физик Макс Планк, нобелевский лауреат, предложил математическое описание дискретного взаимодействия между светом и материей, которое назвал квантами. Эта дискретность напоминает мячик, который скачет вниз по лестнице и на краткое время задерживается на каждой ступеньке, но не может быть наблюдаемым между двумя ступеньками. Такая дискретность была названа квантовым скачком. Несколько лет спустя Альберт Эйнштейн разработал гипотезу, согласно которой свет также двигается частицами (квантами света), и в 1905 году дал этой частице энергии название «фотон». В 1926 году эксперименты подтвердили его фотонную гипотезу.
На протяжении столетий свойства света представляли собой одну из величайших проблем в физике. По мнению нидерландского математика, астронома и физика XVII века Христиана Гюйгенса, свет ведет себя как волна, в то время как Ньютон верил, что свет состоит из частиц. В известном двухщелевом эксперименте, впервые проведенном в 1801 году английским физиком и врачом Томасом Юнгом, свет проходил либо через две узких щели, либо, после того как одну из щелей закрывали, через одну узкую щель. Когда свет проходит через обе щели, он ведет себя как волна с интерференцией, создающей темные и светлые полосы (см. рис.). Интерференция – это явление, которое мы видим, когда бросаем два камушка в пруд и круги от них пересекаются. Рисунок интерференции создает волны большего размера и вместе с тем сглаживает другие; эти волны – эквивалент светлых и черных полос в двухщелевом эксперименте. Когда Юнг в 1802 году опубликовал результаты двухщелевого эксперимента и пришел к заключению, что свет ведет себя как волна, его сообщение встретили пренебрежительно и враждебно, так как его результаты противоречили ньютоновской корпускулярной теории света. Критики утверждали, что публикация Юнга
не содержит ничего заслуживающего названия эксперимента или открытия и… лишена достоинств… Мы хотели бы высказаться против новшеств, которые не оказывают иного влияния, кроме как препятствуют процессу науки и воскрешают все те плоды воображения, которые… Ньютон обратил в бегство из ее храма [4].
Двухщелевой эксперимент с интерференцией, образующей светлые и темные полосы
Однако ситуация оказалась еще более сложной. Если через обе щели проходит очень слабый свет так, что за один момент времени через щели проходит только один фотон, может оказаться, что свет также ведет себя как частица; в этом случае свет будет распределяться равномерно по всей плоскости проекции (фотографической пластинке), а рисунок интерференции из светлых и темных полос исчезнет. Однако это происходит лишь когда ученые хотят узнать точное положение фотона и отметить, через какую из щелей проходит этот фотон. Только в том случае, если прибор, расположенный перед щелями или за ними, определяет, где именно проходит фотон, если проходит вообще, мы знаем точный путь фотона и выясняем, действительно ли свет продолжает вести себя как частица. То же самое относится к измерениям, проводящимся за щелями, в том случае, если измерительный прибор включат именно тогда, когда фотон уже прошел сквозь щель, но еще не успел достичь фотопластинки. Ввиду измерений фотон продолжает вести себя как частица. Если во время эксперимента мы не проводим никаких измерений, свет продолжает вести себя как волна.
Обладатель Нобелевской премии по физике Нильс Бор назвал это явление дополнительностью. Свет ведет себя либо как частица, либо как волна – в зависимости от порядка эксперимента, но не как и то и другое одновременно. Частицы и волны – дополняющие аспекты света; они несовместимы и никогда не бывают видимыми одновременно. Проблему для физиков представляло то, что в зависимости от плана эксперимента, свет мог вести себя либо как волна, либо как частица. При помощи двухщелевого эксперимента было сделано поразительное открытие: поведение света зависит от решения ученого установить дополнительные измерительные приборы или открыть одну или две щели. Преднамеренный выбор исследователя, касающийся проведения эксперимента, определяет, будет ли свет вести себя как волна или как частица. Все это вызвало глубокое преображение самого ядра основополагающей общей физической теории: связь между физическим поведением и человеческими знаниями превратилась из «игры в одни ворота» в математически определенное двухстороннее взаимодействие, включающее выбор, осуществленный сознательным разумом. Как выразился Бор, «в великой драме существования мы сами и актеры, и зрители» [5].
