На рис. 2.6 показана примерно в натуральную величину часть картины теней, создаваемой на расстоянии 3 м двумя прямыми параллельными щелями в светонепроницаемой перегородке. Щели находятся на расстоянии 0,2 мм друг от друга и освещаются нерасходящимся красным лучом лазера, расположенного по другую сторону перегородки. Почему используется свет лазера, а не электрического фонарика? Только потому, что точная форма тени также зависит и от цвета света, который её производит. Белый свет фонарика содержит весь спектр видимых цветов, поэтому он может отбрасывать тени с многоцветными краями. Поэтому для экспериментов, смысл которых в получении точной формы тени, лучше использовать свет одного цвета. Можно поместить перед фонариком цветной фильтр (например, пластину из цветного стекла), чтобы через него проходил свет только одного цвета. Это помогло бы, но фильтры выделяют его не слишком аккуратно. Лучше воспользоваться светом лазера, поскольку лазер можно очень точно настроить на испускание света совершенно конкретного цвета почти без примеси других.
Если бы свет распространялся прямолинейно, то на рис. 2.6 мы бы увидели две ярких полосы с резкими границами, расположенные на расстоянии 0,2 мм друг от друга (что было бы невозможно увидеть в таком масштабе), а остальная часть экрана осталась бы в тени. Но в действительности свет искривляется так, что образует много ярких и тёмных полос без резких границ. Если щели сдвинуть вбок так, чтобы они оставались в пределах лазерного луча, то и картина на экране сдвинется на столько же. В этом отношении она ведёт себя как обычная тень, отбрасываемая крупным предметом. Хорошо, а какую тень мы получим, если прорежем в перегородке ещё пару таких же щелей, сдвинув их на половину расстояния между первыми двумя, так что получится четыре щели, разделённые расстоянием в 0,1 мм? Можно было бы ожидать, что картина будет выглядеть почти так же, как и изображённая на рис. 2.6. Как-никак первая пара щелей отбрасывает тени, показанные на рис. 2.6, и, как я уже сказал, вторая пара щелей должна произвести подобную картину тени, сдвинутую в сторону на 0,1 мм - то есть почти на том же самом месте. Кроме того, мы знаем, что лучи света обычно проходят друг сквозь друга, не претерпевая изменений. Так что две пары щелей, казалось бы, должны дать ту же самую картину, но в два раза ярче и чуть более размытую.
В действительности происходит нечто совершенно иное. Реальная картина теней, отбрасываемых перегородкой с четырьмя прямыми параллельными щелями, показана на рис. 2.7 (а). Для сравнения ниже я снова привожу рисунок тени от перегородки с двумя щелями - рис. 2.7 (b). Мы видим, что тень от четырёх щелей представляет собой отнюдь не комбинацию двух слегка смещённых теней от двух щелей, а имеет новую и более сложную структуру. В этой картине есть участки, вроде тех, что помечены знаком X, которые не освещены на картине тени от четырёх щелей, но освещены на картине тени от двух щелей. Эти участки были яркими при наличии в перегородке двух щелей, но стали тёмными, когда в перегородке прорезали ещё две щели, пропускающие свет. Появление этих щелей помешало попаданию света в зону X.
Таким образом, появление ещё двух источников света затемняет зону X, а их удаление снова освещает её. Каким образом? Можно представить себе, как два фотона направляются к зоне X и отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. Любой из двух фотонов, будь он один, попал бы в зону X, но они мешали друг другу и оба ушли куда-то в другие места. Скоро я покажу, что это объяснение не может быть истинным. Тем не менее от основной идеи этого объяснения уйти невозможно: через вторую пару щелей должно проходить что-то, препятствующее попаданию света из первой пары щелей в зону X. Но что же? Это мы можем выяснить с помощью дальнейших экспериментов.
Во-первых, картина тени от перегородки с четырьмя щелями, изображённая на рис. 2.7 (а), появляется только в том случае, если все четыре щели освещены лазерным лучом. Если освещены только две щели, появляется картина, которая должна быть для двух щелей. Если освещены три щели, появится новая картина, отличная от двух предыдущих, - тень от трёх щелей. Таким образом, то, что создаёт помехи, находится в луче света. Двухщелевая картина также появляется вновь, если две лишние щели заполнить светонепроницаемым материалом, и не появляется, если этот материал прозрачный. Другими словами, создающий помехи агент блокируется всем, что не даёт проходить свету, даже если это нечто почти неощутимо, как туман. Однако он проникает сквозь всё, что позволяет пройти свету, даже через такое непроницаемое (для вещества) препятствие, как алмаз. Если в приборе установить сложную систему зеркал и линз, то до тех пор, пока свет может дойти от каждой щели до конкретной точки на экране, в этой точке будет наблюдаться часть четырёхщелевой картины. Если до конкретной точки может дойти свет только от двух щелей, на экране мы увидим часть двухщелевой картины и т. д.
Таким образом, что бы ни вызывало помехи, оно ведёт себя в точности как свет. Оно всегда присутствует в луче света, но отсутствует вне его. Оно отражается, передаётся или блокируется тем, что отражает, передаёт или блокирует свет.
Возможно, вы удивитесь, почему я столь досконально разбираю этот вопрос. Ведь абсолютно очевидно, что это и есть свет, то есть фотонам из одной щели мешают фотоны из других. Но, возможно, вы поставите под сомнение очевидное после следующего эксперимента, завершающего серию.
Что нам следует ожидать, когда эти эксперименты проводятся с использованием только одного фотона за раз? Предположим, что наш фонарик отнесён так далеко от экрана, что за целый день на него падает только один фотон. Что увидит наша лягушка, наблюдающая за экраном? Если верно то, что каждому фотону мешают другие фотоны, то не должны ли эти помехи уменьшиться, когда фотоны появляются очень редко? И не прекратятся ли они вовсе, если через прибор в каждый момент времени будет проходить только один фотон? Мы по-прежнему можем ожидать появления полутеней, так как фотон, проходя через щель, может отклониться от своего курса (быть может, в результате скользящего удара о край щели). Чего точно не должно быть, так это мест на экране, которые, подобно точке X, получают фотоны, когда открыты лишь две щели, но становятся тёмными, когда открывают две другие.
Однако именно это мы и увидим! Независимо от того, насколько редко появляются фотоны, картина теней остаётся неизменной. Даже при проведении эксперимента с одиночными фотонами мы не увидим ни единого случая их попадания в точку X, если открыты все четыре щели. Но стоит только закрыть две щели, и вспышки в точке X возобновятся.
Быть может, фотон расщепляется на фрагменты, которые после прохождения через щели изменяют свою траекторию и соединяются вновь? Эту возможность мы тоже можем исключить. Опять-таки если запустить в наш прибор ровно один фотон и у каждой из четырёх щелей установить по детектору, то зарегистрировать сигнал сможет максимум один из них. Поскольку при подобном эксперименте никогда не наблюдается срабатывания двух детекторов одновременно, можно утверждать, что обнаруживаемые ими объекты не расщепляются.
Хорошо, но если фотоны не расщепляются на фрагменты и не меняют траекторию под действием других фотонов, то что же их отклоняет? Когда через прибор проходит по одному фотону за раз, что проникает через другие щели, создавая ему помехи?
Подведём итог. Мы обнаружили, что, когда один фотон проходит через наш прибор:
• он проходит через одну из щелей, а затем что-то воздействует на него, заставляя отклониться от своей траектории, и это отклонение зависит от того, какие ещё щели открыты;
• воздействующие агенты прошли через какие-то из оставшихся щелей;
• воздействующие агенты ведут себя в точности так же, как фотоны…
• …но их невозможно увидеть.