то же самое с футбольными мячами вместо молекул, каждая частица следует единственному строго определённому маршруту от источника к экрану. В такой картине не находится места обходному пути, которым частица по пути посещает окрестности обеих прорезей. Однако, согласно квантовой модели, у частицы будто бы и нет точного местоположения в то время, пока она находится между начальной и конечной точками пути. Фейнман понимал, что не нужно принимать это за отсутствие пути у частиц, пока они следуют от источника к экрану. Совсем наоборот, это могло бы значить, что частицы проходят всеми из возможных путей связывающих эти точки. Вот, утверждал Фейнман, что отличает квантовую физику от Ньютоновой. Эта история с двумя прорезями имеет значение, потому что вместо того, чтобы проследовать единственным определённым путём, частицы прошли всеми, да ещё и за раз. Звучит как научная фантастика, но это не так. Фейнман сформулировал математическое выражение — «Фейнманову сумму предысторий», отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики. У Фейнмана в теории математическая и физическая картины расходились с исходными формулировками квантовой физики, но предсказания были такими же.
В эксперименте с двумя прорезями идеи Фейнмана сводятся к тому, что частицы выбирают пути, которые ведут либо сквозь одну прорезь, либо сквозь вторую; пути, что ведут сквозь первую прорезь, затем обратно через вторую, и вновь снова через первую; пути, ведущие в ресторан, где подают креветки в соусе карри, затем к Юпитеру, закручиваясь вокруг него несколько раз перед возвращением обратно; и даже пути, что ведут через Вселенную и обратно. Это, по мнению Фейнмана, объясняет, как частица получает информацию о том, какие прорези открыты — если прорезь открыта, частица направляется сквозь неё. Когда обе прорези открыты, пути частиц, путешествующих через одну прорезь, могут пересекаться с путями через вторую, вызывая тем самым интерференцию. Быть может это прозвучит невероятно, но для нынешней фундаментальной физики в целом, и для этой книги в частности, теория Фейнмана оказалась много полезнее, чем оригинальная.
Фейнмановское видение квантовой реальности является ключевым в понимании теорий, которые мы скоро представим, поэтому стоит потратить некоторое время на то, чтобы понять, как там всё устроено. Представьте себе простой процесс, в котором частица из пункта А начинает своё свободное движение. В Ньютоновой модели эта частица проследует по прямой. По истечении некоторого определённого времени мы обнаружим частицу в определенном пункте В, находящимся на этой прямой. В модели Фейнмана квантовая частица проводит выборку всех путей, соединяющих пункты А и Б, составляя при этом число, называемое фазой для каждого пути. Эта фаза представляет собой такое положение в волновом цикле, в котором волна находится либо на верхнем, либо на нижнем пике, или где-то посередине. Формула Фейнмана по математическому расчёту этой фазы показывает, что когда вы складываете вместе волны всех путей, вы получаете «амплитуду вероятности» достижения частицей из пункта А пункта Б. А затем квадрат амплитуды вероятности даёт конечную вероятность достижения пункта Б.
Фаза, в которой все отдельные пути входят в Фейнманову сумму (и, следовательно, в вероятность прохождения пути от А к Б) может быть представлена в виде стрелы определённой ограниченной длины, но могущей воткнуться в любом направлении. Добавим ещё две фазы: поместим стрелу, представляющую одну фазу у наконечника стрелы, представляющей другую фазу, и тем самым получим третью, общую стрелу, представляющую сумму. Чтобы увеличить количество фаз, просто продолжайте добавлять стрелы. Заметим, что когда фазы выстроены в линию, стрела, представляющая сумму может быть довольно длинной. Но если стрелы направлены в разные стороны, то они быстро заканчиваются, по мере их добавления, оставляя вас с совсем небольшим количеством стрел. Эта идея изображена на рисунке ниже.
Для выполнения условий Фейнмана по расчёту вероятностной амплитуды, что частица из пункта А достигнет пункта Б, вы просто складываете фазы или стрелы, представляющими все пути, связывающие А и Б. Существующих путей бесконечно много, что слегка усложняет расчёты, но этот способ работает. Некоторые пути показаны ниже.
Теория Фейнмана очень чётко показывает, как можно вывести Ньютонову картину мировосприятия из квантовой физики, кажущейся совершенно отличной. Согласно Фейнмановой теории, фазы связанные с каждым путём зависят от постоянной Планка. Теория предписывает, что поскольку постоянная Планка является очень малым числом, то, когда вы складываете сумму путей, близких другу другу, их фазы сильно варьируются, и, как видно на рисунке, их сумма в результате будет сводиться к нулю. Но теория также показывает, что существуют определенные пути, фазы которых имеют тенденцию выстроиться в линию, и именно они дают сумму более предпочтительную (значительную) для изучения процесса поведения частицы. Оказывается, что применительно к большим объектам, пути, подобные тем, что предсказаны теорией Ньютона, будут иметь подобные фазы, и в сумме дадут наибольшую составляющую. Таким образом, единственным конечным пунктом, имеющим практическую вероятность больше нуля, будет конечный пункт, предсказываемый теорией Ньютона, и этот пункт будет иметь вероятность очень близкую к единице. Следовательно, большие объекты двигаются именно так, как предсказывает теория Ньютона.
Пока что мы обсуждали идеи Фейнмана в контексте эксперимента с двойной прорезью. В этом эксперименте частицы запускались в направлении стенки с прорезями, и мы измеряли их местоположение на экране, помещенном за стенкой, в который попадали частицы. В общем, вместо лишь одной частицы, теория Фейнмана позволяет нам предсказывать вероятные результаты «системы», которая могла бы быть частицей, рядом частиц, или даже всей Вселенной. Между начальным состоянием системы и нашим последующим определением ее свойств, эти свойства эволюционируют некоторым путем, который физики называют историей системы. В эксперименте с двойной прорезью, например, история частицы — просто ее путь. Так же, как для эксперимента с двойной прорезью возможность наблюдать, что частица приземлится в любой данной точке, зависит от всех путей, которые, могли бы там быть получены, Фейнман показал, что для общей системы вероятность любого наблюдения построена из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению. Из-за этого его метод, названный «суммой по историям» или «альтернативными историями», является формулировкой квантовой физики.
Теперь, когда у нас есть мнение о Фейнмановском подходе к квантовой физике, пришло время исследовать другой ключевой квантовый принцип, который мы будем использовать позже — принцип, что наблюдение системы должно менять ее поведение. Можем ли мы, как мы делаем, когда у нашей начальницы на подбородке пятно горчицы, осторожно наблюдать, но не вмешиваться? Нет. Согласно квантовой физике, Вы не можете «просто» наблюдать за чем-либо. Таким образом, квантовая физика признает, что, чтобы произвести наблюдение, Вы должны взаимодействовать с наблюдаемым Вами объектом. Например, чтобы видеть объект в традиционном смысле, мы светим на него светом. Освещение тыквы окажет на нее, конечно, не большой эффект. Но освещение даже тусклым светом крошечной квантовой частицы — то есть, стрельба в нее фотонами — действительно имеет ощутимый эффект, и опыт показывает, что это изменяет результаты эксперимента точно так, как описывает квантовая физика.
Предположим, что, как и раньше, мы направляем поток частиц на барьер в эксперименте с двойной прорезью и собираем данные о первом миллионе прошедших частиц. Когда мы определяем местоположение ряда частиц, оказавшихся в различных точках обнаружения, данные сформируют представленную картину интерференции, и когда мы добавим фазы, связанные со всеми возможными путями частицы от отправной точки А до ее точки обнаружения B, мы обнаружим, что вычисленная нами вероятность попадания в различные точки согласуется с этими данными.
Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, на этот раз, освещая прорези светом так, чтобы зафиксировать промежуточный пункт C, через который прошла частица. (C является положением либо одного разреза, либо другого). Это называют информацией «выбора пути», потому что она говорит нам, следовала ли каждая частица от А к прорези 1 и к B, или от А к прорези 2 и к B. Так как мы теперь хорошо знаем, через какую прорезь проходит каждая частица, наша сумма для этой частицы будет теперь включать только пути, которые проходят через прорезь 1, либо только пути, которые проходят через прорезь 2. Она никогда не будет включать и пути, проходящие через прорезь 1, и пути, проходящие через прорезь 2. Поскольку Фейнман объяснил картину интерференции, указав, что пути, которые проходят через одну прорезь, сталкиваются с путями, которые проходят через другую, если Вы включаете свет, чтобы определить, через какую прорезь проходят частицы, тем самым исключая другой вариант, Вы заставите
