Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Цель эксперимента состоит в том, чтобы измерить, сколько энергии переносит волна, когда отверстие 1 и отверстие 2 открыты по отдельности и вместе. При включении волновой установки обнаруживается несколько ключевых отличий от предыдущего эксперимента. Во-первых, волны могут быть абсолютно любой величины – они ведь не отдельные тела, подобно пулям, – а их высота может изменяться плавно и непрерывно. Кроме того, интенсивность колебаний в данной точке при двух открытых отверстиях не совпадает с суммой интенсивностей в той же точке, соответствующих случаям, когда они открыты по отдельности. Как известно из эксперимента Юнга, причина этого заключается в том, что волны из двух источников в некоторых местах совпадают по фазе, а в других – не совпадают. Здесь мы имеем эффект «интерференции».
Наконец, в третьем воображаемом эксперименте Фейнман использует электронную пушку, выстреливающую электронами в стену с двумя отверстиями. И снова на противоположной стороне стены имеется «пулепоглотитель» и детектор электронов. Но теперь мы имеем дело с поведением объектов на квантовом уровне, говорит Фейнман, и тут происходит нечто необычное. Как и в первом эксперименте, мы сразу же отмечаем то, что в отличие от колебания поверхности воды электроны считываются детектором по одному и целиком: детектор издает специфический «щелчок», свидетельствующий о попадании электрона. Однако, как и во втором эксперименте, характер распределения электронов при открытых двух отверстиях отличается от суммы соответствующих распределений, когда отверстия открыты по отдельности. В результате мы имеем классическое явление интерференции. Поразительным является то, что электроны ведут себя как волны, проходя сквозь отверстия, но как частицы – «отмечаясь» на детекторе.
Исходя из того, что многие электроны проходят через оба отверстия одновременно, можно предположить, что интерференционное распределение каким-то образом возникает из-за того, что многие из них сталкиваются друг с другом. Но вариант эксперимента с пропусканием электронов по одному доказывает, что это не так. И вот здесь мы приближаемся к «единственной тайне».
Снизим активность электронной пушки так, чтобы она выпускала только по одному электрону за один раз и достаточно медленно, с тем, чтобы за один раз через отверстие проходил только один электрон. Теперь никакие столкновения между электронами невозможны. После включения электронной пушки электроны начинают медленно собираться на противоположной стороне. Поначалу, когда электроны отмечаются детектором, характер их распределения по-прежнему воспринимается как хаотический. Но по мере того как количество собранных данных растет, мы с удивлением отмечаем, что формируется некая стройная картина – по сути интерференционная! Создается впечатление, что каждый электрон проходит через оба отверстия одновременно, подобно волне, но соприкасается с детектором в одном конкретном месте, подобно частице. Каждый электрон интерферирует только с самим собой. Неужели такое возможно? Возможно! И это, по замечанию Фейнмана, «единственная тайна». «Я ничего не скрываю, – пишет он, – я обнажаю природу, ее самые элегантные и сложные формы».
Так как отдельные электроны сложно получить и наблюдать за ними по отдельности с использованием описанного инструментария, физики долгое время полагали, что названный эксперимент невозможно реализовать. Однако же они были абсолютно уверены в том, что произойдет, если такой эксперимент будет проведен, так как существует множество других свидетельств волновой природы электронов. Вот что Фейнман говорил своим студентам:
...
«Необходимо сразу же отметить, что не следует пытаться провести этот эксперимент… Данный эксперимент никогда не проводился именно таким способом. Проблема заключается в том, что для демонстрации интересующих нас последствий придется изготовить аппарат невероятно маленького масштаба. Представить подобную ситуацию относительно легко, поэтому мы проводим „мысленный эксперимент“. Его возможные результаты известны нам благодаря тому, что уже проведено множество различных экспериментов, в которых выбирались соответствующие масштаб и пропорции для демонстрации описываемых нами результатов».
В начале 1960-х годов, когда Фейнман приводил это объяснение, ему было неизвестно, что развитие технологий в физике приближалось к уровню, при котором станет возможной реальная постановка квантового эксперимента с двумя отверстиями. И этот эксперимент в самом деле был проведен в 1961 году немецким физиком Клаусом Йонссоном.
Йонссон родился в Германии в 1930 году. Когда армии союзников в 1945-м вошли в Гамбург, Йонссон вместе с группой интересовавшихся наукой одноклассников собирал разное оборудование, брошенное отступавшими немецкими войсками. Они сняли с немецкого вездехода батареи и другие электрические детали и стали проводить эксперименты по гальванопокрытию. Их развлечению пришел конец, когда аккумуляторы сели: зарядных устройств у ребят не было.
После войны Йонссон учился в Тюбингенском университете у Готфрида Молленштедта, пионера электронной микроскопии, работавшего в Физическом институте при Тюбингенском университете151. Молленштедт вместе с Генрихом Дюкером изобрел электронную бипризму, которая, по сути, является бипризмой Френеля, приспособленной для электронов (рис. 23). Как упоминалось в главе 6, устройство Юнга с двумя отверстиями и бипризма Френеля представляли собой два различных, но концептуально близких метода разделения светового луча на два пучка волн, интерферирующих друг с другом.
В методике Юнга свет от одного источника разделялся на два излучения от двух отверстий, разделенных небольшим расстоянием. Френель же разделял свет из одного источника, заставляя его проходить одновременно через две стороны треугольной призмы. Электронная бипризма Молленштедта разделяла пучок электронов надвое, помещая у них на пути очень тонкую проволоку под нужным углом. Проволока должна была быть настолько тонкой, что первоначально для этой цели Молленштедт использовал позолоченные паутинки (и потому держал в лаборатории целую коллекцию пауков). Позже он нашел более дешевый и эффективный способ получения проволоки нужного диаметра: в пламени газовой горелки вытягивались кварцевые волокна, которые затем покрывались золотом. Когда волокно бипризмы имело положительный заряд, оно разделяло луч на две составляющие под небольшим наклоном друг к другу, что способствовало возникновению интерференции между ними.
Летом 1955 года Молленштедт и Дюкер продемонстрировали сотрудникам института первые интерференционные картины, полученные с помощью бипризмы. Вскоре после этого у Йонссона появилась идея заменить бипризму небольшой двойной щелью, как в эксперименте Юнга, чтобы на основе прохождения пучков электронов через два отверстия получить интерференционную картину. Препятствия на этом пути были грандиозные. Ученому нужно было проделать щели сверхмалого размера в специальной металлической фольге. Но если оптические отверстия могли располагаться на любом прозрачном материале (например, на стеклянном слайде), то для эксперимента с электронами подобное было невозможно, так как любой такой материал рассеивал бы электроны. Следовательно, фольга должна была быть механически стабильной или достаточно прочной, чтобы выдержать удар электронов.
Здесь Йонссону пришлось реализовать основные принципы «компромисса экспериментатора», ведь при прорезывании щелей в поддерживающем материале достаточной прочности, как правило, остаются неровные края. Если же использовать более тонкий материал, то щели получаются более четкой формы, однако снижается способность материала противостоять воздействию электронов без деформаций, которые неизбежно окажут влияние на поведение электронов, проходящих сквозь отверстия. Кроме того, отверстия должны быть гораздо меньше, чем в эксперименте Юнга, так как ширина электронного пучка составляет всего лишь около десяти миллионных метра (10 микрометров). Отверстия должны быть идеально чистыми, так как электроны будут отскакивать от любой неровности и распределяться хаотически, разрушая то, что именуется «когерентностью» электронов.
Рис. 23. Иллюстрация, демонстрирующая разницу между оптической линзой Френеля (слева) и электронной бипризмой Молленштедта-Дюкера (справа)
Здесь Йонссону очень пригодился его опыт с батареями из немецкого джипа, так как на его примере он понял, насколько важно сохранять субстрат чистым. Некоторые его коллеги сомневались в успешности эксперимента и настаивали на том, чтобы он отказался от своей идеи. Однако Йонссон продолжал работу, вдохновленный любимой поговоркой Молленштедта – « Es geht nicht» gibt es nicht für einen Experimentalphysiker [17] . В 1956 году Йонссон занялся изучением методов прорезывания щелей в очень тонкой фольге и к следующему году нашел способ152. Весной 1957 года он сдал теоретическую часть экзаменов на степень доктора наук и стал обсуждать с Молленштедтом тему своей диссертации. Поначалу Молленштедт хотел, чтобы Йонссон работал над проблемой бипризмовой интерференции, но разрешил ученику сменить тему. Первая часть проекта заключалась в создании инструмента, который проделывал бы щели размером меньше восьмисот миллиардных метра (800 нанометров), – устройство, которое намного опережало бы свое время. Таким образом, Йонссона можно назвать пионером нанотехнологии. Вторая часть проекта относилась к разработке специальной пленки, которую можно было бы применять даже при небольшой активности электронов153. Возникла необходимость каким-то образом избавиться от механических и магнитных возмущений, препятствующих интерференции. Йонссон получил первую фотографию интерференционной картины в 1959 году (рис. 24), и за эту работу в 1961 году ему была присуждена докторская степень.
