Чтение онлайн

Здравый смысл подсказывает, что в нашем эксперименте эфир подобен неподвижному воздуху станции из прошлого примера, и свет достигнет задней стенки звездолета раньше, чем передней. И вот тут-то здравый смысл нас подведет! Неподвижный наблюдатель на планете увидит, что да, задняя лампочка загорится раньше, как и в случае со звуком. А вот движущийся наблюдатель увидит эти же лампочки одновременно, как если бы эфир внутри звездолета двигался вместе с ним.

Но эфир не может одновременно быть неподвижным и двигаться! В этом и состоит парадокс постоянства скорости света, который никак нельзя объяснить классическими уравнениями. Да и вообще нет никакого эфира, как показали последующие эксперименты и теории, а свет и другие электромагнитные волны распространяются по пространству сами по себе, в пустоте создавая волны электрического и магнитного полей.

В нашем эксперименте каждый наблюдатель видит свет так, будто источник света неподвижен относительно него. Для наблюдателя на планете свет распространяется по неподвижному «эфиру» космоса, а для наблюдателя в звездолете – по «эфиру», движущемуся вместе со звездолетом. Хотя здравый смысл подсказывает, что один и тот же свет не может распространяться по-разному.

Вот что означает слово «относительность» в названии теории Эйнштейна. Наблюдатель может описать события только относительно своего собственного состояния – движения или покоя. Другой наблюдатель, движущийся с другой скоростью, увидит те же события по-другому.

И опять современная физика на концептуальном уровне подобна даосской философии Пути и более общей эзотерической доктрине. У каждого свой жизненный путь, более того, каждый видит по-своему не только свой личный путь, но и весь окружающий мир, по которому этот путь пролегает. Нет абсолютной истины, по крайней мере, в рамках земного существования, но есть некий скрытый от человека единый Образ, который питает различные свои представления для разных людей.

Кстати, еще немного про звездолет. Я не написал о еще одной немаловажной подробности. Чтобы наблюдатели увидели, что свет достиг краев звездолета, они должны получить сигналы об этих событиях. А сигналы также распространяются не мгновенно, а со скоростью света. Вот и попробуйте теперь разобраться, кто что увидит.

Волна или частица?

Относительность наших представлений о мире не ограничивается лишь движением. Не только движение объекта зависит от наблюдателя, но сам объект наблюдения может оказаться совершенно разными вещами в зависимости от того, чего мы от него ждем. В современной физике эта особенность называется «корпускулярно-волновой дуализм».

Смысл этой концепции заключается в том, что элементарная частица проявляет себя либо как волна, либо как частица в зависимости от того, какой эксперимент над ней ставят. В экспериментах, где материя рассматривается как собрание отдельных частиц, и измеряются свойства частиц – положение, скорость, количество – частицы ведут себя как частицы – маленькие шарики, имеющие положение, массу и скорость. В других экспериментах, где та же самая материя рассматривается как волна, и измеряются ее волновые свойства – частота, амплитуда, интерференционная картина – та же самая материя ведет себя как волна. Такое странное положение вещей было обнаружено в ходе так называемого «двухщелевого эксперимента», в котором поток электронов пролетал через стенку с одной или двумя щелями.

Для начала вспомним, как ведет себя при прохождении через отверстие поток частиц, и как ведет себя волна. Если мы стреляем из пулемета по щели в стене, то часть пуль пролетает прямо через щель, часть попадает мимо щели и застревает в стенке, а небольшая часть попадает в щель неточно, ударяется о ее край и немного отклоняется от прямой линии. Если за стенкой с щелью стоит еще одна стенка – назовем ее «экран», – то основная часть пуль окажется на экране прямо напротив щели, и по мере удаления от середины количество отклонившихся пуль будет плавно уменьшаться. Если мы изобразим плотность пуль на графике, то он будет иметь вид колокола.

Теперь представим себе немного другой эксперимент. В прямоугольной ванне мы пускаем от одной стенки прямую волну, а посередине ванны ставим еще одну стенку с щелью. Волна достигнет этой стенки, пройдет в щель, но дальше пойдет уже не прямая, а круглая, как будто от точечного источника. Можно представить себе, что на месте щели упал в воду камешек, и от него пошли круговые волны. Когда эта круглая волна достигнет экрана на дальней стенке ванны, то мы увидим на экране не колокол, а волнистую линию.

Если мы в обоих этих экспериментах заменим стенку с одной щелью на стенку с двумя щелями, то результаты будут примерно такими же, как и с одной. Пули за двумя щелями на экране лягут гуще посередине и реже по краям, получится два колокола. Волны от двух щелей перемешаются, но останутся волнами и создадут на экране сложную волнистую линию.

Пока что все описывается чисто классическими уравнениями: пули – это частицы, а волна – это волна. Не так с электронами или другими элементарными частицами.

Представим себе, что электронная пушка выпускает ровный поток электронов, которые летят в сторону стенки с щелью. Если поток электронов пролетает через одну щель, то детектор на экране нарисует график плотности прилетевших на нее электронов в виде колокола, то есть посередине погуще, по краям пореже. При пролете через одну щель электроны ведут себя как частицы. Но если поставить перед потоком электронов стенку с двумя щелями, то вдруг непонятно почему электроны на экране будут ложиться полосами – где-то больше, где-то меньше. И детектор плотности электронов покажет ту самую волнистую линию, как если бы электроны были волнами. Хотя электронная пушка никак не изменилась, она выпускает точно такие же электроны. Только одну щель заменили на две.

Конечно, физики стали выяснять, в чем дело. Может быть, множество одновременно летящих электронов создает что-то наподобие волны? В следующем опыте электроны вылетали из пушки настолько редко, что можно было регистрировать попадание на экран каждого из них. Опыт длился долго, но результат оказался тот же – плотность распределения летящих по одному электронов была тоже волнистой, как будто каждый отдельный электрон в виде волны пролетал через обе щели. Очень странно.

И это не просто странно, это обалдеть как удивительно и непостижимо! Представьте себе, что то, на чем вы сидите, становится либо мягким пружинным диваном, либо жесткой деревянной скамьей в зависимости от того, хотите ли вы понежиться на нем и отдохнуть, либо встать ногами, чтобы дотянуться до верхней полки. Представьте, что дверь перед вами оказывается открытой или запертой в зависимости от того, насколько вам нужно за нее попасть. Представьте, что дождь… стоп! Дождь как раз совершенно честно является одновременно и потоком мелких круглых капель, которые вполне ощутимо бьют вас по лбу, а также и мягкой текучей лужей, в которую вы легко погружаете ботинок.

Да, жидкость хотелось бы считать отдаленной аналогией двойственности элементарных частиц, потому что она является одновременно и плотным физическим телом и носителем бегущих по ней волн. Но суть квантовой механики заключается в том, что частица – это не короткий волновой пакет, а волна – это не колеблющаяся из стороны в сторону частица. Когда электрон ведет себя как частица, в нем нет ни капли волновых свойств. А когда он волна – он только лишь волна, от края Вселенной до края.

В общем, мир можно представить не только как конструкцию из «твердых» атомов, но и как «мягкую» ткань из волновых участков, намагниченностей разных типов. Один тип волн – это электроны, другой – протоны, а например, электромагнитный кусочек – это фотон, то есть свет или радиоволна.

Можно сказать, что материя похожа на информацию, которая хранится на диске компьютера. Ведь на диске нет ничего кроме определенной последовательности намагниченных участков, а в целом мы видим программы, документы, изображения.

Мы не знаем, или его вправду нет?

Двухщелевой эксперимент не закончился с обнаружением волновой природы электронов. Выяснились еще более удивительные вещи.

Итак, при установке двух щелей на пути электрона он оставляет на экране такой след, как будто он волна и пролетел одновременно через обе щели. Но экспериментаторы не готовы были так сразу сдаться. Решили все-таки выяснить, через какую щель пролетает электрон. Поставили у одной из щелей детектор, который фиксирует, пролетел электрон или нет. Пустили поток электронов, сначала кучей, потому по одному. О, чудо! В обоих случаях электроны опять стали вести себя как пули – равномерно рассеиваться на щелях и давать равномерную колоколообразную плотность попадания на экране.