Теперь повторим этот эксперимент – будем пропускать фотоны через щели по одному. В данном случае мы уже знаем, через какую именно щель прошел фотон.
Но результаты эксперимента радикально меняются. Даже несмотря на то, что четвертьволновые пластинки никак не воздействуют на сами фотоны, а просто меняют полярность света (ниже мы докажем, что изменение результатов эксперимента никак не зависит от четвертьволновых пластинок), мы уже не наблюдаем интерференционного рисунка. Кривая на графике неожиданно изменяется и становится в точности такой, как если бы фотоны были частицами, а не волнами.
Что-то произошло. Оказывается, сам акт измерения и определение траектории каждого фотона исключает "вероятностную свободу" частицы, не позволяет ей пребывать в зыбком неопределенном состоянии и идти к барьеру сразу по двум путям. Коллапс волновой функции частицы должен был произойти в измерительном устройстве, то есть на четвертьволновой пластинке, так как фотон вдруг "решил" стать частицей и проскочить либо через одну щель, либо через другую. Фотон перестал проявлять волновые свойства, как только вышел из зыбкого вероятностного не вполне реального состояния. Но почему фотон все-таки "пошел на коллапс" волновой функции? Как он узнал , что человек-наблюдатель сможет определить, через какую из щелей проскочит эта частица?
Величайшие умы прошлого века безуспешно пытались объяснить этот парадокс. Одно лишь наше знание о траектории фотона или электрона приводит к тому, что частица становится конкретной сущностью, а не суммой вероятностей. Разумеется, физики проверили, не может ли это странное поведение объясняться какими-то взаимодействиями между самим фотоном и детектором траекторий, оснащенным четвертьволновыми пластинками (либо другими подобными устройствами). Оказалось, дело не в этом. Для опытов конструировались самые разные приборы, которые со всей определенностью никак не воздействовали на фотон. Тем не менее интерференционный рисунок исчезал. Итоговое заключение, к которому ученые пришли через много лет, формулируется так: просто невозможно одновременно узнать и траекторию частицы, и интерференционный рисунок, создаваемый энергетическими волнами.
Мы возвращаемся к принципу дополнительности, важнейшему аспекту квантовой теории. Он заключается в том, что при каждом эксперименте можно узнать/измерить лишь одну пару характеристик, но не две сразу. Когда вы полностью знаете свойства частицы в одной ипостаси, то ничего не будете знать о другой. Если же вы все еще в чем-то подозреваете четвертьволновые пластинки, развею все ваши сомнения. При использовании таких пластинок в любых других условиях, даже в эксперименте с двумя щелями, но без применения поляризующих барьеров (позволяющих судить о природе частицы), сам акт поляризации фотона никак не сказывается на интерференционном рисунке.
Хорошо, давайте проведем другой эксперимент. Как было показано в предыдущей главе, существуют запутанные частицы (мельчайшие фрагменты материи) или кванты света, которые появляются одновременно и в полном соответствии с законами квантовой физики имеют общую волновую функцию. Они могут разлететься в разные стороны – даже оказаться в противоположных краях галактики, – но не утратят этой связи, "знания" друг о друге. Если мы проведем с одной из таких частиц какие-либо манипуляции, в результате которых она потеряет универсальную вероятностную природу и должна будет немедленно получить конкретное воплощение (например, в результате вертикальной поляризации), то частица-близнец также материализуется в тот самый момент – но уже с поляризацией по горизонтали. Если одна из частиц проявит себя как электрон с восходящим спином, то ее близнец также окажется электроном, но с нисходящим спином. Они навечно связаны в соответствии с принципом дополнительности.
Итак, воспользуемся прибором, который выстреливает частицы-близнецы в разных направлениях. В таких экспериментах запутанные фотоны-близнецы создаются путем пропускания света через кристаллы особого вещества, называемого "бета-борат бария" (BBO). В этом кристалле высокоэнергетический фотон фиолетового света, полученный из лазера, преобразуется в два красных фотона, каждый из которых обладает вполовину меньшей энергией, чем исходная частица. Соответственно, не происходит никаких чистых потерь или накопления энергии. На выходе получается два запутанных фотона, которые разлетаются в разных направлениях. Обозначим эти направления P и S .
В исходном варианте нашего эксперимента не учитывалась информация о том, какой путь изберет фотон. Теперь мы вносим в эксперимент всего одно изменение – добавляем счетчик совпадений. Он нужен для того, чтобы полярность фотона на детекторе S осталась для нас неизвестной, пока его близнец не попадет в детектор P . Один из близнецов проходит через щели (назовем этот фотон s ), а второй просто летит ко второму детектору. Лишь когда оба детектора синхронно регистрируют попадание фотона, мы узнаем, что оба фотона-близнеца завершили свой путь. Только этот факт фиксируется нашим оборудованием. В результате получаем на детекторе S уже знакомый нам интерференционный паттерн.
Это логично. В данном эксперименте мы не узнаем, через какую именно щель проскальзывает конкретный фотон или электрон, поэтому объекты остаются вероятностными волнами.
Далее начинается самое интересное. Во-первых, мы переустановим четвертьволновые пластинки таким образом, чтобы можно было получить информацию о траектории фотонов, отправившихся по пути S .
Как и ожидалось, интерференционный рисунок исчезает, сменяется одиночной кривой – то есть мы получаем график, соответствующий отдельной частице.
Пока все понятно. Но теперь давайте устраним возможность определения пути фотона s, при этом никак не затрагивая сам фотон . Для этого мы можем поставить поляризующее стекло на пути второго фотона, P . Пластинка не позволит регистрировать совпадения на втором детекторе. Она будет измерять пути лишь некоторых фотонов и фактически деполяризует двойные сигналы. Поскольку счетчик совпадений в данном опыте исключительно важен для получения информации о завершении путей частиц-близнецов, а мы вывели его из строя, весь аппарат стал бесполезен. Теперь мы не можем с его помощью определять, в какую из щелей проскальзывают отдельные фотоны, летящие по пути S , так как не можем сравнивать их с фотонами-близнецами. Мы могли бы зарегистрировать их только при помощи счетчика совпадений, а он уже не работает. Кроме того, еще одно важное уточнение: мы не трогали четвертьволновую пластинку фотона P . Мы всего лишь повлияли на него таким образом, что сознательно лишили себя возможности пользоваться счетчиком совпадений и получать информацию о траектории. Между прочим, новая конструкция все-таки предоставляет нам данные. Прибор регистрирует "попадания", только когда полярность измеряется на детекторе S. При этом счетчик совпадений сообщает, что на детекторе P для фотона-близнеца синхронно была отмечена такая же либо иная полярность. Вот результат.