Неопределенность — одна из ключевых и самых трудных для осознания концепций квантового мира. Но и тот, кто считает, будто сумел ее понять, ошибается: новые эксперименты показали, что принцип неопределенности совсем не так однозначен.
Неопределенная неопределенность: Принципиальное уточнение

Предложенный Вернером Гейзенбергом Принцип неопределенности не позволяет одновременно и точно определять пары дополняющих характеристик квантовой системы — например, импульса и координаты. Иначе говоря, если мы можем в точности указать положение частицы, то никак не сможем узнать направление и скорость ее движения, и наоборот.

Самым что ни на есть наглядным образом действие принципа демонстрирует классический эксперимент по рассеянию света на двух щелях. Представьте, что мы бомбардируем потоком фотонов чувствительный экран, причем между ним и источником фотонов находится пластина с парой тонких параллельных щелей. Как следует из волновой природы фотонов, частицы, проходящие через разные щели, будут интерферировать друг с другом и создавать на экране характерную полосатую картину.

Однако если мы ослабим источник настолько, что фотоны будут вылетать из него поодиночке, проявляя свою корпускулярную природу, — а такое давно и легко достижимо — мы могли бы ожидать, что интерференционные полосы исчезнут. Ведь фотон пройдет через одну определенную щель, и ему в этот момент будет просто не с кем интерферировать. Но продолжим бомбардировать экран одиночными фотонами — и мы увидим, что понемногу они изобразят все ту же интерференционную картину. Получается, что каждый фотон проходил одновременно через обе щели и интерферировал друг с другом! Так проявляется Принцип неопределенности, и если мы ее устраним (закрыв одну из щелей), интерференционная картина исчезнет.

Новая версия классического опыта поставлена учеными из Австралии и Канады — им удалось показать, что если для каждой отдельной частицы указать, через какую щель она прошла, просто невозможно, то подобные наблюдения можно сделать относительно большого количества частиц.

Авторы немного усложнили описанную выше схему. Дело в том, что фотон может быть поляризован вправо, влево, или (спасибо квантовой механике) одновременно вправо и влево. Обычный свет представляет собой смесь всех этих состояний, и если вы измерите поляризацию любого из них, вы с 50-процентной вероятностью получите правую или левую.

Между источником излучения и пластиной с щелями ученые поместили кальцит, минерал, который в зависимости от угла падения на него частицы слегка меняет ее поляризацию. Кроме того, прежде чем попасть на чувствительный экран, фотоны проходили через дополнительное устройство, которое изменяло траектории частиц в зависимости от их поляризации. В итоге на экране появлялась не одна, а две интерференционные картины. Сравнивая интенсивности соответствующих пятен на них, авторы могли рассчитать «среднюю» поляризацию частиц, достигших экрана, а значит — и угол падения частицы на кальцит, а следовательно — и путь, которым она на него попала.

Авторы отмечают, что их опыт нисколько не противоречит принципам квантовой механики. Каждый отдельный фотон полностью сохраняет необходимую неопределенность; речь идет лишь о среднестатистических траекториях. Однако опыт способен уточнить наши взгляды на саму природу неопределенности, которая оказывается вовсе не столь уж определенной, как казалось.

Читайте также: «Боб, Алиса и квантовый ретранслятор».

По публикации ScienceNOW