Появление квантовой теории поля и эксперимент с двумя щелями

В 1900 г. Макс Планк заявил, что энергия распространяется и поглощается «квантами», сделав, таким образом, шаг в область квантовой теории. Этот год считается временем зарождения квантовой теории[59]. Планк, получивший за это открытие Нобелевскую премию, сам до конца не был уверен в своем предположении. Потому что с того времени, как была выведена формула электромагнетизма Максвелла, считалось, что электромагнитная радиация является волной. Однако Герц обнаружил электромагнитные волны и показал, что они непрерывны^[60]. Планк, в свою очередь, доказал, что радиация распространяется в квантах, что уже предполагает определенную порционность, чем пошатнул доминирующие в то время позиции в физике.

На пути формирования квантовой теории следующий важный шаг сделал Альберт Эйнштейн. В 1905 г. Эйнштейн использовал квантовую гипотезу Планка и предположил, что свет состоит из «квантов» или «фотонов»^[61]. Также 1905 год является годом, когда появились первые идеи в теории относительности Эйнштейна. В отличие от ожидания большинства, Эйнштейн получил Нобелевскую премию за то, что показал, что энергия света распространяется в форме «квантов», что с точки зрения квантовой теории невероятно важно. То есть была проведена работа по объяснению фотоэффекта. Интересен тот факт, что самому Эйнштейну никогда не нравились идеи, выдвинутые в отношении квантовой теории, и сам он выступал в качестве самого крупного противника этой теории^[62].

C самого начала Эйнштейн не рассматривал исследование световых лучей как нечто серьезное. Еще до Эйнштейна Ньютон выступил в поддержку предположения, что свет состоит из пучков, однако теорию световых волн экспериментальным путем подтвердили работы Максвелла и Герца. Открытие того, что свет состоит из пучков и объяснение того, что это позволит более глубоко рассмотреть многие другие явления, вызвали шок и удивление в научном мире. Свет – это частица или волна? Непримиримые друг с другом такие понятия, как частица и волна, не имеют между собой ничего общего. С другой стороны, существуют данные экспериментов, подтверждающие тот факт, что эти два понятия действительно противоположны друг другу. После этого среди ученых появилась шутка, что по понедельникам, средам и пятницам он будут использовать теорию волн, а по вторникам, четвергам и субботам – теорию частиц^[63].

Квантовая теория, занимающаяся не только вопросами света, но и микрочастицами, одновременно затрагивает поведение частиц и волн. В данном случае необходимо упомянуть известный «эксперимент с двумя щелями». В этом эксперименте пучок частицы или волны (фотона, электрона или другой микрочастицы) направили через барьер с двумя щелями на экран. Если проводить этот эксперимент при помощи света (можно делать с электронами или другими частицами), то, наблюдая за точками на экране, можно будет увидеть, что свет состоит из частиц. В том случае, если при подсветке мы не получаем четкого точечного изображения на экране, то это связано с большим количеством фотонов на источнике света. Например, от лампы в шестьдесят свечей исходит: 100 миллионов · 1 триллион фотонов в секунду^[64]. Однако при изменении условий, если избавиться от дополнительных источников света и провести эксперимент при малом количестве фотонов, можно четко увидеть точки, что свидетельствует о том, что свет состоит из частиц^[65].

Эксперимент с двумя щелями, проводящийся под воздействием одноцветного света.

На изображении слева видно, что при открытии одной щели на экране появляются частицы света в виде маленьких последовательных точек. На изображении справа мы видим, что при открытии двух щелей на экране появляются частицы света в виде прерывистого рассредоточения точек. При открытии двух щелей и увеличении амплитуды подсветки на светлых местах в четыре раза, места, ранее казавшиеся пустыми, должны просматриваться в виде отрывистых линий[66].

Возникает вопрос, каково будет поведение световых частиц при открытии обеих щелей. На экране в самых светлых местах идет образование фотонов, в случае открытия одной из щелей, амплитуда освещения возрастает в четыре раза. Однако проблема заключатся в местах с нулевой амплитудой, потому что при открытии одной из щелей туда должны попадать фотоны. И здесь перед нами возникает следующая проблема: необходимо предложить иной способ наблюдения за фотонами при отказе от первоначального^[67]. И после изменения условий эксперимента свет при прохождении через щели вел себя не как частицы, а как волны. Этот результат можно объяснить при помощи такой особенности волн, как «ослабляющая интерференция». Если имеется два пути для распространения волн, то две волны, идущие различными путями, должны в итоге погасить друг друга^[68].

Здесь существует одна странность: отправленные по одному фотоны, электроны или атомы в любом состоянии должны таким же образом выйти через интерференционные полосы. Иначе говоря, это означает, что фотоны проходят через обе щели одновременно^[69]. Роджер Пенроуз выразил предположение, что виды одной и той же материи могут вести себя и в качестве частиц, и в качестве волн. Каждая частица в отдельности может вести себя как волна, и в случае произошедших изменений с одной частицей имеется возможность подавления этой частицы другими^[70]. С точки зрения философии, здесь важным является следующее: причина получения результатов таких вот опытов в квантовой теории, возможно, заключается в принципе «невозможности третьего варианта» в логике^[71]. Утверждение о том, что человек может находиться в двух местах одновременно, в научном мире будет рассмотрено в качестве суеверия, а в медицине – в качестве психиатрического заболевания. Однако такое явление, как «быть в двух местах одновременно» встречается в мире субатомных частиц. С точки зрения Вернера Гейзенберга, такие явления в квантовой теории, как присутствие одного элемента одновременно в двух разных местах или проявление свойств и волны, и частицы, требуют изменения принципа классической логики о «невозможности третьего варианта». Гейзенберг предложил решить проблему несоответствия квантовой логики и в области логики классической^[72]. Это было достаточно важное предложение, ведущее за собой возникновение новых вопросов, связанных с основами эпистемологии. Поднявший этот вопрос Гейзенберг является одной из самых значимых фигур в современной физике. Для того, чтобы проверить собственное утверждение, он пытался доказать его экспериментальным путями, найти факт, подтверждающий его исследования.