О самом главном эксперименте в квантовой физике

Вопрос о природе света издавна волновал умы физиков. Ярким приверженцем корпускулярной теории света был Исаак Ньютон, представлявший световой луч как поток отдельных частиц. Но в 19 веке стала набирать популярность волновая теория света, одним из апологетов которой был Томас Юнг.

Для того, чтобы доказать волновую природу света, Юнг придумал замечательный эксперимент. Он направлял пучок монохроматического света на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями (щелями). Ширина щелей должна быть как можно ближе к длине волны излучаемого света. При этом на проекционном экране позади ширмы получается целый ряд чередующихся интерференционных полос, что и является, по мнению Томаса Юнга, доказательством волновой природы света.

(Опыт Юнга с двумя щелями повторить вне лаборатории непросто, так как непросто изготовить подходящей ширины щели. Однако с успехом можно воспроизвести самыми простыми средствами опыт интерференции от двух малых ОТВЕРСТИЙ.

Постановка опыта такова: в фольге от шоколадки следует самой тонкой швейной (лучше бисерной) новой иглой проделать два чрезвычайно тонких отверстия как можно ближе друг к другу. Не следует пропускать иглу насквозь, нужно лишь наколоть отверстия самым кончиком. Далее в хорошо затемнённой комнате осветить место проколов мощным источником света. Удобно воспользоваться лазерной указкой, так как её свет монохроматичен. На экране, расположенном в 0,5—1 метре удаётся наблюдать дифракционную картину и интерференционные полосы.)

Однако впоследствии этот эксперимент был дополнен и видоизменен: щели освещались не постоянным светом, а последовательно «бомбардировались» отдельными фотонами, а в щелях были установлены детекторы, чтобы выяснить, через какую именно из щелей проходит каждый фотон. И оказалось, что в таких условиях свет ведет себя как частица, проходя только через одну из щелей. Данный феномен был назван «эффектом наблюдателя», а Ричард Фейнман назвал его «главной тайной» и «сердцем» квантовой механики. Он любил говорить, что всю квантовую физику можно вывести из обдумывания только одного этого эксперимента.


Таким образом, физики сошлись на таком компромиссе, как корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому в одних условиях свет ведет себя как волна, а в других (в присутствии «наблюдателя», детектора) – как поток частиц.

Размышляя над «самой главной тайной» физики, я задалась вопросом: а почему мы подразумеваем только ОДНОГО наблюдателя? Что если добавлять количество «наблюдателей» до бесконечности? Как это повлияет на результаты эксперимента?

Для того чтобы опыт был проще и доступнее обычному человеку, вместо лаборатории и сложного оборудования используем обычный черный ящик – камеру обскура.

Я думаю, все хорошо знают, что такое камера обскура – это прототип фотоаппарата. Его можно легко изготовить из любой коробки или даже из комнаты с плотными, темными шторами, не пропускающими свет. Если в одной из стен этой коробки (в темной шторе комнаты) сделать небольшое отверстие, то на противоположной стене мы увидим перевернутое изображение окружающего мира. Чем меньше отверстие, тем четче (но и темнее) изображение. Это удивительное свойство света было известно с давних времен и даже использовалось средневековыми художниками для создания городских пейзажей.


А что будет, если мы проделаем рядом еще одно отверстие? Мы увидим на противоположной стене два изображения. Такой эффект, как будто в глазах двоится.

Каждая щель является в данном эксперименте своего рода «наблюдателем» - детектором, регистрирующим прохождение через него света. Если бы свет не прошел через щель, то второе изображение не появилось бы на противоположной стене.

Если мы проделаем третье отверстие, то увидим тройное изображение, и т.д. Увеличивая количество отверстий, мы будем наблюдать на противоположной стене не четкое изображение, а все более мутное световое пятно. Увеличивая количество отверстий «до бесконечности», мы в конечном итоге получим просто яркое пятно света, освещенную стену.

Таким образом, чем больше «наблюдателей», тем больше проявляются волновые свойства. Множество начинает восприниматься как сплошная среда.

На самом деле корпускулярно-волновой дуализм – это не только про природу света, но и про природу вещества вообще. Когда-то вопрос ставился ребром: вещество либо состоит из отдельных частиц, подчиняющихся классической физике, либо представляет собой сплошную среду?

В этом, собственно, и заключается главная разница между физикой классической и квантовой: в первой мы говорим о множестве причин и следствий, а во второй – о едином законе развития системы. Но теперь мы начинаем понимать, что одно другому не противоречит. Просто классическая физика занимается описанием локальных процессов и закономерностей, но чем глобальнее изучаемые нами процессы, тем ближе мы к пониманию единства всего происходящего, к универсальному закону САМООРГАНИЗАЦИИ.

В предложенном мной «многощелевом» эксперименте каждая щель, вернее отверстие, - это и есть «наблюдатель», детектор, измеряющий проходящую порцию света от каждого объекта окружающего мира. Но мы можем еще более упростить эксперимент, максимально приблизить его к реальности, приняв за наблюдателей самих себя. Каждый из нас тоже является своего рода «камерой», получающей свет (информацию) от окружающих (людей, объектов, самой среды).

В эксперименте мы убедились, что чем больше отверстий, тем менее четкой получается общая картина на стене, превращаясь в конечном итоге в сплошное световое пятно. Иными словами, чем выше энтропия, тем менее определенной и четкой становится информация. Однако у живых, активных систем (у нас, в частности) есть возможность УПРАВЛЯТЬ энтропией, снижать её при необходимости – при достижении определенного количественного предела.

Для того чтобы упростить, облегчить восприятие большого числа данных мы систематизируем информацию, ранжируем по важности, объединяем во множества по одному или нескольким признакам, находим общие смыслы и закономерности.

Каждый из нас является не просто «наблюдателем», но и активным участником, одним из ЦЕНТРОВ САМООРГАНИЗАЦИИ. И именно этим объяснятся «эффект наблюдателя».

Хотелось бы подчеркнуть, что под энтропией я понимаю не «хаос», как многие думают, а КОЛИЧЕСТВО центров самоорганизации в системе. Такими центрами могут считаться не только люди, не только живые организмы, но и атомы, планеты, галактики…

В физике энтропия непосредственно связана с информацией: информация является величиной, обратной энтропии. Но что значит «обратной» количеству?

Если энтропия – это количество центров самоорганизации (множество), то информация – это единство, то, что связывает множество в единую систему, придает новое качество, общий смысл. Если увеличение энтропии – это расширение системы, то рождение информации – это сжатие, синтез, гравитация.

В целом энтропия всей системы величина постоянная. Я думаю, это можно назвать законом сохранения энтропии. Чем больше в системе возникает новых объектов, тем явственнее и очевиднее в ней проявляются глобальные структуры, демонстрирующие взаимосвязь всех элементов, закономерность всех процессов. Так постепенно из отдельных паззлов складывается общая картина. Наверное, это и есть самый главный закон сохранения в физике, закон, объясняющий единый принцип самоорганизации материи на всех уровнях и масштабах.