Найбільш розповсюджений міф у фізиці - квантова механіка пояснює експеримент з подвійною щілиною. Ні! Вона його не пояснює. Вона його описує. Лише.
Засновником експерименту вважається Томас Юнг, британський фізик і математик.
Експеримент був проведений у 1801 році, коли він досліджував природу світла. Промінь світла пропускався через дві вузькі щілини, розташовані поруч. Науковець бажав встановити, чи світло поводиться як хвиля або як потік частинок.
В результаті експерименту стало очевидно: світло - хвиля, що проявляє інтерференцію. Коли світло проходить через дві щілини, воно утворює на екрані інтерференційні смуги, характерні для хвиль. Випромінювання “в принципі” поширюється як хвиля та проявляє характеристики хвильової інтерференції.
Але необхідно врахувати наступне.
- Класична інтерференційна картина подвійної щілини описується будь-якою хвильовою теорією. Така інтерференційна картина може бути відтворена водними хвилями, звуковими хвилями та світлом. Гарна ознака того, що доречна певна форма хвильової теорії.
- Локальне виявлення квантів знаменує собою відхід від класичної теорії. Але кванти здаються частинками, не хвилями. Проте, якщо зібрати їх достатню кількість, вони об'єднуються у знайому нам інтерференційну картину. Ми не можемо обійтися без хвильової теорії.
Таким чином, квантова механіка узгоджує кроки 1 і 2, просто будуючи двоступеневу теорію. Крок 1 відбувається відповідно до рівняння Шредінгера. Потім крок 2 доживає до гіпотези колапсу. Обидва висновки операціоналізуються правилом Борна, яке визначає інтерференційну картину як розподіл ймовірностей для окремих виявлень.
Правило Борна і гіпотеза колапсу разом формують процедуру вимірювання. 2-крокова теорія охоплює еволюцію хвильової функції та вимірювання як окремі кроки.
Ось чому теорія описує експеримент з подвійною щілиною, а не пояснює його. Пояснення вимагало б повної фізичної теорії, а не 2-крокового опису.
Альтернативні моделі
Зупинимось на декілька альтернативних описах, які поки що залишаються абстрактними гіпотезами (втім, це зауваження відноситься й до Копенгагенської інтерпретації)
Як інтерпретацію де Бройля-Бома пояснює експеримент з подвійною щілиною?
Інтерпретація де Бройля-Бома стверджує, що всі частинки, навіть ті, які традиційно розглядаються як частинки, мають виключно хвильові властивості.
Згідно з нею, кожна частинка може бути описана хвильовою функцією або ймовірностями знаходження частинки в певному місці. Хвильова функція зазвичай розподіляється по простору та проявляється у форматі інтерференційних ефектів, які спостерігаються у класичних хвильових явищах - дифракція або інтерференція світла.
Як вже говорилось, в експерименті з подвійною щілиною, потік частинок (наприклад, електронів) посилається через дві вузькі щілини на екрані. Задача полягає в тому, щоб визначити, які закономірності спостерігаються на екрані, коли частинки проходять через щілини.
Але ми бачимо тільки “хвильову” картинку. Частинки опановують хвильові властивості та інтерферують одна з одною.
Згідно інтерпретації де Бройля-Бома, хвильова функція проходить через щілини та розподіляється на екрані. Інтерференційні смуги виникають через взаємодію хвильових функцій, що проходять через обидві щілини.
Оскільки хвильова функція може бути від'ємною в різних точках, це призводить до появи явища інтерференції.
Експеримент Штейнберга
Експеримент, проведений групою Карла-Генріха Штейнберґа, - одна з найбільш дивовижних та водночас простих демонстрацій гносеологічних парадоксів квантової механіки. Він показує, що реальність, яку ми сприймаємо, залежить від того, як вона вимірюється.
Отже, експеримент з подвійною щілиною. Коли ми спостерігаємо, через яку щілину проходить кожний фотон, інтерференційна картина зникає. Звідси робиться висновок: світло поводиться як частинка, і вона має визначений шлях.
Але Штейнберґ та його колеги пішли далі й додали до експерименту квантовий детектор зіткнень - пристрій, що стирає інформацію про шлях фотона після того, як він пройшов через щілини.
Науковці показали, що якщо ми стираємо цю інформацію, то ми здатні відновити інтерференційну картину, навіть за шляхами фотонів. Тобто результат експерименту не визначається тим, що фотон робить на шляху до екрана, але тим, яку інформацію ми отримуємо про нього. Що суперечить класичному розумінню причинності, а локальності.
Простіше кажучи, квантова механіка не описує об'єктивну реальність; лише нашу інтерпретацію методології вимірювання речей (явищ), які ми вважаємо “об’єктивними”.
Колапс об’єктивності
Крім того, існують теорії об'єктивного колапсу, які також пояснюють експеримент з подвійною щілиною.
Питання: коли і як фотон переходить від одного стану до іншого? Який механізм викликає колапс хвильової функції? Що ним керує?
Згідно з теоріями об'єктивного колапсу, існує об'єктивний і водночас спонтанний процес, не залежний від спостереження або вимірювання. Кожна квантова система має деяку маленьку ймовірність переходу з одного стану до іншого протягом одиниці часу.
Подібна ймовірність залежить від розміру і складності системи: для маленьких і простих систем, таких як окремий фотон або електрон, вона дуже мала і про неї можна забути. Для великих і складних систем, на зразок атомів, молекули або навіть макроскопічних об'єктів, вона занадто велика і призводить до швидкої локалізації в певному стані.
Таким чином, теорії об'єктивного колапсу пояснюють, чому ми не спостерігаємо суперпозицій у повсякденному житті.
Наприклад, теорія Ґірарді — Ріміні — Вебера модифікує рівняння Шредингера таким чином, що хвильова функція системи перетинається з додатковим шумовим полем, яке приводить випадкові стрибки хвильової функції до нових станів. Ці стрибки відбуваються з дуже малою частотою для окремих частинок, але з дуже великою частотою для складних систем.
Таким чином, ҐРВ-теорія пояснює, як фотон переходить від хвильового до частинкового стану в експерименті з подвійною щілиною: якщо ми не спостерігаємо за шляхом фотона, то він залишається у суперпозиції та утворює інтерференційну картину.
Якщо ж ми спостерігаємо за шляхом фотона, то ми змушені описувати взаємодію з детектором, який входить до складу штучної квантової макросистеми та має високу частоту колапсу.
Фотон “колапсує” у певний стан і показується на екрані. Хоча насправді...
А ми не знаємо точно.
