Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Криз Роберт

Возьмем, к примеру, пьезоэлектрический эффект – феномен, при котором определенные кристаллы (некоторые из них естественного происхождения), будучи сжаты определенным образом, производят мгновенные всплески напряжения в десятки тысяч вольт. На рубеже XIX и XX веков это явление впервые наблюдали в лаборатории братья Кюри, использовавшие для этого сложное лабораторное оборудование (один из братьев, Пьер, впоследствии женился на Марии Склодовской, которая стала первой женщиной, удостоенной Нобелевской премии). К началу Второй мировой войны пьезоэлектрический эффект уже был стандартизирован и использовался в детонаторах авиабомб, а сегодня этот некогда экзотический лабораторный феномен является банальным элементом системы воспламенения в определенном типе зажигалок.

Почему же на мастерство экспериментов так часто не обращают внимания? Одна из причин заключается в отношении самих ученых, которые настаивают на соблюдении слишком строгого,

жесткого, а порой бесчеловечного и нереалистичного стандарта. К примеру, нобелевский лауреат Леон Ледерман, бывший директор Лаборатории им. Ферми, национальной лаборатории в Батавии, штат Иллинойс, часто укорял себя за «упущенные открытия» и даже написал статью о «том значительном, что ускользнуло из рук». Среди этого значительного Ледерман упоминал эпизод, когда его исследовательская группа не смогла зарегистрировать важную частицу, которую двумя годами позже одновременно обнаружили две другие исследовательские группы. «Наше мышление, – писал Ледерман, – [и] наше понимание ключевых элементов физики было довольно туманным». Однако работа группы Ледермана рассматривалась его коллегами как первоклассная. Более того, обе группы, которым в конце концов удалось обнаружить частицу, теперь именуемую J/psi , в качестве руководства использовали предшествующие наработки Ледермана.

Встретившись с Ледерманом, я поинтересовался, неужели он и в самом деле считал, что во время проведения этого эксперимента ему не хватало правильного понимания физических явлений?

– Оно было недостаточно правильным, – ответил ученый.

– Но проведенный вами эксперимент рассматривался и продолжает рассматриваться вашими коллегами как замечательный, – возразил я.

– Недостаточно замечательный, – сказал Ледерман. – Если бы он был на самом деле замечательным – в прямом смысле этого слова, – то мы бы обнаружили J/psi . Мне следовало бы быть умнее и воспользоваться мелкомодульными детекторами.

И даже когда я напомнил ему, что он использовал плотные материалы, с которыми нельзя применять детекторы такого типа, Ледерман продолжал упрямо качать головой:

– Мне все равно следовало бы быть умнее, отказаться от плотных материалов и воспользоваться более тонкими.

– Однако, – возразил я, – это означало бы изменить научную цель эксперимента и его физическую структуру по весьма спорным причинам.

Тем не менее никакими доводами мне не удавалось переубедить Ледермана.

– Если бы я был умнее, – продолжал он, – я бы начал эксперимент с самого начала. Но я не был умен. Я был глуп148.

Почему же не только Ледерман, но и другие ученые проявляют такое самоуничижение по отношению к собственному труду и отказываются признавать в нем наличие истинного мастерства, не давая себе естественного для мастера права на ошибку? Их отношение есть некая давно утвердившаяся в науке традиция, определяющая, что есть «правильно» и что «неправильно». В соответствии с этой традицией любые неудачи относятся на счет плохого планирования эксперимента и собственной недальновидности ученого, а риски и неопределенность, естественно присущие исследовательской работе, совершенно не принимаются во внимание. Подобное отношение формирует в исследователях чрезмерно требовательный подход к своему труду.

Рис. 21. Постепенное проявление интерференционной картины при рассеянии одиночных электронов на двух щелях.

Глава 10. Единственная тайна

Квантовая интерференция

...

Мы решили исследовать феномен, который невозможно, абсолютно невозможно объяснить каким-либо классическим способом и который в то же время является самой сутью квантовой механики. На самом деле он составляет единственную тайну .

Ричард Фейнман

«Я видела его при изучении курса оптики в Эдинбургском университете, – писала мне одна дама-астроном в ответах на мою анкету, опубликованную в Physics World . Речь шла о „двухщелевом“ эксперименте с электронами. – Преподаватель не сообщил нам, что должно было произойти, и впечатление было грандиозным. Я уже не помню деталей эксперимента, помню только, как точки сгруппировались в интерференционную картину. Увиденное завораживало примерно так же, как завораживает шедевр живописи или гениальная скульптура. Стать свидетелем эксперимента с двумя щелями –

все равно что впервые в жизни наблюдать полное солнечное затмение: пробирает какая-то первобытная дрожь, все внутри сжимается от ужаса и восторга, и думаешь: „ Господи, а ведь эта корпускулярно-волновая штука на самом деле существует!“ Это подрывает самое основание нашего представления о мире».

Рис. 22. Три двухщелевых эксперимента: отсутствие интерференции при рассеянии потока отдельных объектов (пули), интерференция протяженных объектов (водяные волны) и интерференция объектов, которым следовало бы быть отдельными (электроны)

В своих «Лекциях по физике» американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что «вещи предельно малого масштаба ведут себя совершенно не так, как то, к чему вы привыкли». Тем не менее, как прекрасно понимал Фейнман, даже самому знающему физику легко проигнорировать сложности квантовой механики и, несмотря на глубокое понимание предмета, представить, что электроны, протоны, нейтроны и другие частицы «там, внизу» подобны телам «здесь, наверху» – то есть отдельным твердым телам, которые проходят от точки А к точке В по совершенно определенному пути, и что, если мы по какой-то причине теряем их на пути, они все равно никуда не исчезают и пребывают в определенный момент времени в определенном месте. Впрочем, можно поставить эксперимент, демонстрирующий, что в квантовом мире все происходит совсем иначе. Это принципиальным образом противоречит предположению, которое с давних времен составляет основу научного восприятия мира: мы так или иначе можем вообразить фундаментальные вещи. Наиболее зримой и впечатляющей демонстрацией, подтверждающей, что наша убежденность в силе человеческого воображения есть заблуждение и что жизнь квантового мира невозможно вообразить, является вариант эксперимента с двумя щелями, проведенного Томасом Юнгом, но на этот раз с использованием не света, а элементарных частиц – электронов. Из-за технических сложностей, связанных с подготовкой данного эксперимента, и из-за того, что он проходит в несколько этапов, он – единственный из десяти самых красивых экспериментов – не связан с именем определенного ученого. О нем просто говорят как о двухщелевом эксперименте или об эксперименте с квантовой интерференцией. Судя по моему опроснику, он намного опередил по популярности другие эксперименты. Разумеется, мой опрос нельзя назвать строго научным, однако вряд ли можно усомниться в том, что благодаря своей простоте, убедительности и впечатляющему характеру описываемый эксперимент займет одно из первых мест в любом списке самых красивых научных экспериментов.

* * *

В своем лекционном курсе и в других книгах Фейнман элегантно описал странную природу поведения квантов, сравнивая три «двухщелевых» эксперимента: один – с использованием пуль (частиц), второй – с использованием воды (волн) и третий – с использованием электронов (того и другого и ни того, ни другого) – чтобы в каждом случае продемонстрировать сходство и различие «путем сравнений и противо-поставлений»149.

Вначале, говорит Фейнман, представьте себе эксперимент, в котором пулемет ведет беспорядочную стрельбу по бронированной стене, в которой проделаны два маленьких отверстия и за которой стоит мишень. У каждого отверстия имеется затвор, который может его полностью закрывать. Величина каждого отверстия такова, что в него только-только может пролететь пуля и затем попасть в мишень. Все пули за редким исключением попадают в мишень в одних и тех же двух местах. Небольшое количество пуль рикошетирует от краев отверстий и отлетает в сторону под тем или иным углом так, что мы не можем точно знать, куда попадет та или иная из них. Затем можно подсчитать число пуль, попавших в определенное место мишени.

Цель эксперимента состоит в том, чтобы измерить вероятность попадания пули в одно конкретное место. Начав стрельбу и проведя измерения, мы сразу же обнаружим, что мишень регистрирует только целые пули – там никогда не будет половинок или частичек от пуль. Таким образом, пишет Фейнман, распределение пуль будет в целых числах представлять определенное количество целых пуль. Также обнаружится, что вероятность отыскания пули в некоем определенном месте, когда оба отверстия 1 и 2 открыты, равна сумме вероятностей того же в том случае, когда названные отверстия открыты по отдельности. Другими словами, на вероятность того, что пуля пролетит сквозь отверстие 1, никак не влияет тот факт, открыто или закрыто отверстие 2150. Можно немного перефразировать сказанное: если при стрельбе по мишени определенный процент выстрелов попадает в «яблочко», этот процент никак не изменится, если рядом установить другую мишень и вести стрельбу одновременно по двум мишеням. Фейнман называет подобное состояние «без интерференции».