Но настоящий фейерверк в моем сознании разгорелся от изучения квантовой механики. Это было прикосновение к раскаленной материи реальности там, где эта реальность ставит под сомнение наши предвзятые представления о ней…
Мое знакомство с квантовой теорией было непосредственным. Лицом к лицу с книгой Дирака. Я слушал в Болонском университете курс математики профессора Фано под названием «Математические методы для физики». Это были «методы» для нас. В рамках этого курса каждый студент должен был самостоятельно изучить выбранную им тему и сделать по ней доклад перед сокурсниками. Я выбрал небольшой раздел математики, который сейчас входит в обязательную программу для получения диплома по физике, но в мое время студенты не обязаны были его изучать. Это «теория групп». Я спросил профессора Фано, что надо включить в доклад. Он ответил: «Основы теории групп и ее приложение к квантовой механике». В ответ на мое осторожное замечание, что еще не слушал курса квантовой механики… и нечего про нее не знаю, он сказал: «Ну и что? Так изучите ее!»
Он так пошутил.
Но я не понял, что это была шутка.
Я купил книгу Дирака – издание Борингьери в сером переплете. От нее замечательно пахло (я всегда нюхаю книги перед тем, как купить: запах имеет для меня решающее значение). Уединился дома и целый месяц изучал ее. Купил себе еще несколько книг37, прочел и изучил их тоже.
Это был один из лучших месяцев в моей жизни.
Тогда у меня появились вопросы, которые преследовали меня всю жизнь и которые спустя годы, после множества прочитанных книг, обсуждений и сомнений, привели меня к решению написать эти строки.
В этой главе расскажу подробнее о странностях квантов. Опишу конкретное явление, в котором проявляются их необычные свойства, – явление, которое имел возможность наблюдать собственными глазами. Это тонкий эффект, но в нем проявляется самое главное. Затем перечислю некоторые наиболее обсуждаемые идеи, чтобы разъяснить эту странность.
Идею, которая мне кажется наиболее убедительной, излагаю в следующей главе. Если хотите сейчас же перейти к ней, то можете пропустить остаток этой.
Что же такого странного в квантовых явлениях? То, что электроны находятся на фиксированных орбитах и совершают переходы между ними, еще не конец света…
Странности квантовой механики – это следствия явления под названием «квантовая суперпозиция». Это когда мы в некотором смысле имеем дело одновременно с двумя противоречащими друг другу свойствами. Например, объект может находиться здесь и одновременно там. В этом состоит идея Гейзенберга, когда он говорит, что «у электрона больше нет конкретной траектории»: электрон не находится ни в одном, ни в каком-то другом месте. В определенном смысле он находится в обоих местах сразу. У него нет одного определенного положения. У него как будто одновременно несколько положений. Физики говорят, что объект может быть в состоянии «суперпозиции» двух положений. Дирак называл эту странность «принципом суперпозиции» и считал ее концептуальной основой квантовой теории.
Что значит, что объект находится в двух положениях?
Учтите, это не то, что мы непосредственно видим «квантовую суперпозицию». Электрон никогда не виден в двух местах. «Квантовая суперпозиция» не видна непосредственно. Она лишь косвенным образом порождает некие наблюдаемые проявления. Мы видим тонкие следствия того, что частица в определенном смысле может находиться одновременно в разных местах. Эти проявления называются «квантовой интерференцией». Мы наблюдаем именно интерференцию, а не «суперпозицию». Посмотрим, что это такое.
Я впервые наблюдал квантовую интерференцию через несколько лет после того, как изучил ее по книгам. Было это в Инсбруке в лаборатории Антона Цейлингера – симпатичного бородатого австрийца, похожего на доброго медведя. Цейлингер – один из величайших физиков-экспериментаторов, который с помощью квантовой механики совершает чудеса: он – пионер квантовой информатики, квантовой криптографии и квантовой телепортации. Сейчас расскажу вам, что я увидел, и вы поймете, что смутило физиков.
Антон показал мне стол с оптическими приборами: небольшим лазером, линзами и призмами, с помощью которых лазерный луч сначала разделяется, а потом снова соединяется, а также детекторы фотонов и т. д. Слабый лазерный луч из небольшого числа фотонов разделяется на два луча – назовем их правым и левым. Оба луча потом соединяются и снова разделяются и направляются на два детектора: один «вверху», а другой – «внизу».