Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
В последние годы феномен квантовой интерференции был продемонстрирован на примере других частиц, а также атомов и даже молекул.
Двухщелевой эксперимент в применении к электронам характеризуется тремя ключевыми качествами красивого эксперимента. Он фундаментален и демонстрирует своеобразное поведение материи на атомарном уровне, противоречащее нашим интуитивным представлениям о мире. Электрон, испущенный источником, через какое-то время достигает детектора на определенном расстоянии от него. Но где он находится по пути? Эксперимент с квантовой интерференцией (как с использованием двух щелей, так и бипризмы) показывает, что квантовый объект, в отличие от объекта макромира, не имеет четко определяемого местонахождения в пространстве и во времени. «Где ты был?» – вот вопрос, который не имеет смысла по отношению к электрону. Он был везде и нигде. И если эксперимент Юнга с двумя щелями и светом стал важнейшим обоснованием необходимости смены научной парадигмы и перехода от восприятия света как потока частиц к восприятию его как волны, то двухщелевой эксперимент с отдельными электронами является столь же убедительным основанием для другой смены парадигмы – с классической на квантовую.
Он экономичен, так как, несмотря на всю его революционность, оборудование, необходимое для его проведения, в настоящее время вполне доступно, а базовые концепции, связанные с ним, понятны. Более того, данный эксперимент в лаконичной форме демонстрирует все те загадки, которые обычно ассоциируются с квантовой механикой: и знаменитый «кот Шредингера», и неравенства Белла, и эксперименты с нелокальностью могут быть сведены к квантовой интерференции.
Кроме того, эксперимент не вызывает ни малейших сомнений. Он способен убедить самого закоренелого скептика, не принимающего на веру истин квантовой механики. Даже человеку, хорошо разбирающемуся в квантовой механике, теория может представляться крайне абстрактной, а ее импликации – далекими от нашего восприятия. Двухщелевой эксперимент превращает абстрактную теорию в легко постижимый ощутимый образ. «До того как я увидел его собственными глазами (в колледже), я не верил ни единому слову современной физики», – написал мне в ходе моего опроса один ученый.
Благодаря непосредственной данности интерференционной картины эксперимент отличается особой ясностью, почти той же ясностью, что и в эксперименте Юнга. В нем присутствует и что-то от «ожидаемой неожиданности» опыта на Пизанской башне, где наше восхищение вызывает наглядность процесса разрушения стереотипов обыденного восприятия мира. Результат эксперимента с электронной интерференцией вызывает недоумение лишь у того, кто привык относиться ко Вселенной как к совокупности дискретных частиц.
И, наконец, рассматриваемый эксперимент прекрасен (по крайней мере, с моей точки зрения), так как выступает блистательным завершением того поразительного процесса поисков, начало которому положил Эратосфен. Опыт Эратосфена подтвердил интуитивное прозрение греков, что небеса имеют универсальную и вполне постижимую космическую архитектуру; что в самом глобальном масштабе Вселенная состоит из тел, вращающихся одно вокруг другого в трехмерном пространстве. Эксперимент с квантовой интерференцией показывает, что на уровне элементарных частиц объекты связаны между собой таким образом, который нельзя ни постичь с помощью обычных человеческих представлений, ни вообразить, однако используя оборудование, созданное нашими руками, мы получаем убедительные свидетельства существования совершенно иного мира.
Квантовый мир всегда будет противоречить интуитивному восприятию человеком Вселенной – независимо от того, насколько мы доверяем теории. «Двухщелевой» эксперимент с интерференцией электронов достаточно ясно, лаконично и ощутимо демонстрирует особую, труднопостигаемую реальность квантового мира. Прослушивание щелчков детектора, отмечающего прохождение отдельных электронов через бипризму или пару щелей, наблюдение за образованием интерференционной картины – одно из самых впечатляющих и незабываемых переживаний. Поэтому можно с уверенностью сказать, что эксперимент с квантовой интерференцией отдельных электронов останется в пантеоне красивых экспериментов еще очень долгое время.
Интерлюдия Занявшие второе место
Список экспериментов, занявших второе место в моем опросе, состоит из нескольких десятков опытов в самых разных сферах исследований. Некоторые из них заслуживают особого упоминания из-за определенных обстоятельств, с ними связанных, необычных способов, которыми они проявляют свою красоту, или просто из-за субъективных предпочтений автора.
Первым в ряду экспериментов, занявших второе место, стал гидростатический эксперимент, проведенный (совершенно случайно) Архимедом Сиракузским, широко известным древнегреческим математиком и изобретателем и, по стечению обстоятельств, современником Эратосфена. Нынешние историки науки считают вполне достоверным рассказ о том, как в III веке до нашей эры Гиерон, тиран города Сиракузы на Сицилии, попросил Архимеда измерить содержание золота и серебра в жертвенном венце, который тиран заказал своим жуликоватым ювелирам. Как сообщает античный источник, Архимед размышлял над данным ему поручением, сидя в ванне, и обратил внимание на то, что «чем глубже он погружается в нее своим телом, тем больше через край вытекает воды. И как только это указало ему способ разрешения его вопроса, он, не медля, вне себя от радости, выскочил из ванны и голый бросился к себе домой, громко крича, что нашел то, что искал»159.
Однако точно измерить объем по объему вытесненной воды очень сложно. Скорее всего, Архимед понял, что вода делает вес его тела меньше (это произошло бы и с венцом тирана), и если определить вес драгоценности на воздухе и в воде, а затем сравнить полученные величины, то можно точно установить плотность короны и затем сравнить ее с плотностью золота. Архимед вряд ли бегал нагишом по улицам города, крича от восторга, хотя история его открытия прекрасно передает настроение ликования, охватывающее исследователя в момент озарения. Кроме того, легенда служит яркой иллюстрацией того, как случайно сделанное открытие превращает обыденное событие в красивый эксперимент.
Среди наиболее перспективных претендентов на второе место в биологических науках – так называемый эксперимент Мезельсона – Сталя, основная тема книги историка науки Фредерика Холмса, которая называется «Мезельсон, Сталь и репликация ДНК. История самого красивого эксперимента в биологии»160. В ходе этого эксперимента, проведенного в 1957 году, было подтверждено, что ДНК реплицируется на основе незадолго до того открытой структуры двойной спирали. В подзаголовке Холмс процитировал мнение одного из авторов эксперимента, отметив при этом, что большинство биологов разделяют эту высокую оценку. Когда он попросил ученых объясниться, они в качестве критериев красоты назвали простоту, точность, чистоту и стратегическую значимость.
Претенденты из области психологии – два эксперимента, которые убедительно опровергли давно сложившиеся догматические представления о поведении животных. Первый из них, проведенный американским психологом Гарри Харлоу, опроверг представление о том, что потребность в еде является главным фактором в отношениях между детенышем приматов и его матерью. Харлоу изготовил набор суррогатных «обезьян-матерей»: проволочных, без мягкой поверхности или покрытых мягкой тканью. В серии экспериментов Харлоу обнаружил, что детеныши обезьян явно предпочитали суррогатных «матерей», покрытых мягкой тканью, даже несмотря на то, что из «соска» проволочной «матери» выделялось молоко161. Совершенно очевидно, что потребность в межличностной эмоциональной привязанности, в любви и нежности, которую символизировала мягкость и теплота ткани, значительно превалировала над потребностью в пище.
Еще одним красивым экспериментом в зоопсихологии стал эксперимент, проведенный Джоном Гарсией и Робертом Келлингом в 1966 году и поставивший под сомнение так называемый закон Берреса Фредерика Скиннера об эквипотенциальности обучающего поведения. Этот закон утверждает, что животное учится по принципу стимула и реакции и при этом любой стимул можно связать с любой реакцией. Крыс, к примеру, можно заставить избегать воды с определенным запахом, если при питье они будут получать удар электрическим током. Гарсия и Келлинг повторили этот опыт с одной группой крыс, но с другой группой изменили стимул и вызывали у них с помощью той же воды тошноту и рвоту. Данный стимул срабатывал гораздо быстрее и значительно более эффективно, нежели электрошок. Описываемый эксперимент убедительно доказал, что вызывание тошноты и страха по-разному воздействуют на процесс формирования условных рефлексов у животных и на то, как животные интерпретируют свое окружение. Этот вывод до такой степени противоречил преобладавшей в то время бихевиористской доктрине эквипотенциальности, что Американская психологическая ассоциация отвергала работы Гарсии еще на протяжении целых десяти лет162.
