Мы никогда не можем видеть волновой аспект единичной частицы. Всякий раз, когда мы смотрим, нашему взгляду предстает лишь локализованная частица. Должны ли мы, поэтому, допускать, что решение представляет собой трансцендентную метафизику? Или нам следует отказаться от мысли о существовании волнового аспекта единичной волночастицы? Быть может, волны, с которыми имеет дело квантовая физика, — это свойство, присущее только группам или совокупностям объектов?

Чтобы определить, так ли это, мы можем проанализировать эксперимент, обычно используемый для изучения волновых явлений, — так называемый двухщелевой эксперимент. В обстановке этого эксперимента поток электронов проходит через перегородку с двумя узкими щелями (см. рис. 14). Поскольку электроны — это волны, двухщелевая перегородка делит электронный луч на два набора волн. Затем эти волны интерферируют друг с другом, и экспериментаторы видят результат интерференции на флуоресцентном экране.

Рис. 14. Двухщелевой эксперимент для электронов

Довольно просто? Позвольте мне рассмотреть феномен интерференции волн. Если вы не знакомы с явлением интерференции, его можно легко продемонстрировать, стоя в ванне, наполненной водой, и ритмично маршируя на месте, в результате чего возникают две серии волн на воде. Волны будут создавать интерференционную картину (рис. 15, а). В одних местах они будут усиливать друг друга (рис. 15, б), а в других — взаимно уничтожаться (рис. 15, в).В результате возникает интерференционная картина.

Рис. 15. а — когда волны на воде интерферируют, создается интересная картина взаимных усилений и погашений; б — когда волны приходят в одной фазе, они усиливают друг друга; в — волны, приходящие в противофазе, погашают друг друга

Точно так же на флуоресцентном экране есть места, куда волны электронов от обеих щелей приходят в одной фазе; в таких местах их амплитуды складываются, и суммарная волна усиливается. Между этими яркими пятнышками имеются места, куда волны приходят в противофазе и погашают друг друга. Таким образом, результат этой созидательной и разрушительной интерференции выглядит на экране как узор из чередующихся светлых и темных полос — интерференционная картина (рис. 16). При этом важно, что интервалы между полосами позволяют измерять длину волны электронных волн.

Рис. 16. Интерференционная картина вспышек на экране

Однако вспомним, что волны электронов представляют собой волны вероятности. Поэтому мы должны говорить именно о вероятности: электроны, попадающие в светлые области, имеют высокую вероятность, а электроны, попадающие в темные области, — низкую вероятность. Мы не должны увлекаться и на основании интерференционной картины делать вывод, что волны электронов — это классические волны, поскольку электроны все же попадают на флуоресцентный экран так, как это положено частицам: каждый электрон дает одну локализованную вспышку. Именно совокупность пятен, образованных большим числом электронов, выглядит как картина интерференции волн.

Предположим, что мы идем на интеллектуальный риск и делаем электронный луч очень слабым — настолько слабым, что в любой данный момент щелей достигает только один электрон. Получаем ли мы по-прежнему интерференционную картину? Квантовая механика однозначно отвечает — да. Вы можете возразить — нельзя получить интерференцию без разделения луча. Разве для интерференции нужны не две волны? Может ли единичный электрон разделяться, проходить через обе щели и интерферировать сам с собой? Да, может. Квантовая механика отвечает на все эти вопросы положительно. По словам одного из пионеров новой физики, Поля Дирака: «Каждый фотон (или, в данном случае, электрон) интерферирует только сам с собой». Квантовая механика предлагает математическое доказательство этого абсурдного утверждения, но это единственное утверждение ответственно за всю удивительную магию, на которую способны квантовые системы и которая подтверждена множеством экспериментов и технологий.

Попробуйте представить себе, что электрон проходит на 50% через одну щель и на 50% через другую щель. Легко рассердиться и не верить в это странное следствие квантовой математики. Действительно ли электрон проходит через обе щели одновременно? Почему мы должны принимать это на веру? Мы можем выяснить это путем наблюдения. Мы можем направить на щели фонарь (метафорически говоря), чтобы видеть, через какую щель электрон проходит на самом деле.

Итак, мы включаем свет и, видя электрон, проходящий через ту или другую щель, смотрим, где на флуоресцентном экране возникает вспышка (рис. 17). Мы обнаруживаем, что каждый раз, когда электрон проходит через щель, его вспышка появляется точно позади щели, через которую он проходит. Интерференционная картина исчезла.

Рис. 17. Когда мы пытаемся определять, через какую щель проходит электрон, направляя на щели фонарь, электрон демонстрирует свою корпускулярную природу. Есть только две полосы — в точности так, как следовало бы ожидать, если бы электроны были миниатюрными шариками

То, что происходит в этом эксперименте, можно понимать, прежде всего, как следствие принципа неопределенности. Как только мы обнаруживаем электрон и определяем, через какую щель он проходит, мы утрачиваем информацию об импульсе электрона. Электроны очень чувствительны; столкновение с фотоном, который мы используем для наблюдения электрона, воздействует на него так, что его импульс меняется на непредсказуемую величину. Импульс и длина волны электрона взаимосвязаны: квантовая механика включает в себя это великое открытие де Бройля. Поэтому утрата информации об импульсе электрона — это то же самое, что утрата информации о его длине волны. Если бы имелись интерференционные полосы, то мы могли бы измерять длину волны по расстояниям между ними. Принцип неопределенности утверждает, что как только мы определяем, через какую щель проходит электрон, процесс наблюдения уничтожает интерференционную картину.

Вы должны понимать, что измерения положения и импульса электрона, в действительности, представляют собой взаимодополнительные, взаимоисключающие процедуры. Мы можем сосредоточиваться на импульсе и измерять длину волны — и, таким образом, импульс — электрона по интерференционной картине, но тогда мы не можем знать, через какую щель проходит электрон. Или мы можем сосредоточиваться на положении электрона и терять интерференционную картину — информацию о его длине волны и импульсе.

Существует второй, еще более хитроумный способ понимания и согласования всего этого — с помощью принципа дополнительности. В зависимости от того, какой прибор мы используем, мы видим корпускулярный аспект (например, с фонарем) или волновой аспект (без фонаря).

В первом приближении суть принципа дополнительности сводится к тому, что квантовые объекты представляют собой и волны, и частицы, но мы можем видеть с помощью той или иной экспериментальной обстановки только один аспект. Это, несомненно, правильное понимание, однако опыт учит нас некоторым тонкостям. Например, мы также должны говорить, что электрон — это не волна (поскольку волновой аспект никогда не проявляется для единичного электрона) и не частица (поскольку он появляется на экране в местах, запрещенных для частиц). Тогда, будучи осмотрительными в своей логике, мы должны говорить и что фотон — это ни не-волна, ни не-частица, чтобы избежать неправильного понимания нашего употребления слов «волна» и «частица». Это очень похоже на логику жившего в I в. н. э. философа-идеалиста Нагарджуны — самого проницательного логика традиции буддизма Махаяны. Восточные философы передают свое понимание окончательной реальности словами нети, нети(ни это, ни то). Нагарджуна сформулировал это учение в виде четырех отрицаний: