ПОЛЬ ДИРАК В ПАУТИНЕ ЗАБЛУЖДЕНИЙ ВОКРУГ ОДИНОЧНОГО ФОТОНА
Полный текст - http://osh9.narod.ru/bes/dir.htm
Уже на склоне лет [как бы подводя итоги?],
в 1951 году, в письме своему другу на
протяжении всей почти жизни Мишелю Бессо А.
Эйнштейн оставляет нам (в документальном
виде) вынужденное признание: «После
50 лет раздумий я так и не смог
приблизиться к ответу на вопрос, что же
такое световой квант» [1].
И, наконец, как любят физики (мрачно) шутить, “последний гвоздь” в понятие “световой квант” (или по-современному – “фотон”) вбивает Поль Адриен Морис Дирак [2].
«Разберем теперь, как описывает квантовая
механика интерференцию фотонов. Для этого
рассмотрим следующий опыт, демонстрирующий
интерференцию: пусть пучок света пропущен
через некоторый интерферометр, так что
пучок расщепляется на две компоненты,
которые затем интерферируют друг с другом.
Как и в предыдущем параграфе, мы можем взять
падающий пучок, состоящий из одного фотона,
и спросить, что произойдет, когда он пройдет
через прибор. Это поставит перед нами во
всей остроте вопрос о трудностях, связанных
с противоречием между волновой и
корпускулярной теорией света.
Соответственно тому описанию, которое
мы приняли в случае поляризации, мы должны
теперь, описывая поведение фотона, считать,
что он войдет частично в каждую из двух
компонент, на которые расщепился пучок. Мы
можем тогда сказать, что фотон находится в
состоянии поступательного движения,
которое представляет собой суперпозицию
двух состояний, соответствующих двум
компонентам. Таким образом, мы приходим к
обобщению понятия «состояния
поступательного движения» в применении к
фотону. Фотон, который находится в
определенном состоянии поступательного
движения, не обязательно связан с одним
пучком света, а может
быть связан с двумя или несколькими пучками,
на которые расщепился исходный пучок. В
точной математической теории каждое
состояние поступательного движения
связывается с некоторой волновой функцией
обычной волновой оптики, а эти волновые
функции могут описывать как отдельный
пучок, так и два и более пучков. Состояния
поступательного движения могут, таким
образом, налагаться одно на другое так же,
как и волновые функции».
С одной стороны, все слова по
отдельности вроде бы знакомы и понятны – «фотон»,
«несколько пучков», «волновая функция», «обычная
волновая оптика», «точная математическая
теория» и, конечно же [непременно мысленный
– а как иначе?], «опыт, демонстрирующий
интерференцию». Однако,
с другой стороны, смысл сказанного до поры
до времени прячется в словесных прениях и
смысловом лавировании. Действительно, как
представить себе – каким образом фотон как
элементарная неделимая частица,
находящийся в определенном состоянии,
связан с несколькими пучками, которые к
тому же могут быть разнесены в пространстве
на очень большие расстояния.
Или каков он, этот пучок, состоящий из
одного фотона, или почему обычная волновая
оптика призвана описывать пучки частиц (фотонов).
Или, наконец, почему определенная игра слов
дает право на безапелляционные заявления
типа «мы должны теперь,
описывая поведение фотона, считать…» Лиха
беда начало, однако продолжим попытки
вникнуть в сокровенный смысл ключевых
категорий квантовой механики.
«Рассмотрим теперь, что произойдет, если мы определим энергию одной из компонент. Результатом такого определения может быть либо целый фотон, либо ничего. Таким образом, фотон должен внезапно оказаться целиком в одном из пучков и перестать находиться отчасти в одном, а отчасти в другом пучке. Такое внезапное изменение вызвано тем возмущением в состоянии движения фотона, которое неизбежно вносит наблюдение. Невозможно предсказать, в каком из двух пучков будет найден фотон. Можно рассчитывать лишь вероятность каждого из результатов, зная первоначальное распределение фотона между двумя пучками».
Не покидает ощущение, что приходится иметь
дело с какими-то
колдовскими сказками, мистика до озноба.
Выше всякого понимания, как фотон может
своей частью (?!) «почувствовать» измерение,
«принять» решение и быстро-быстро (без
промаха!), «найдя» свою «кровную половину»,
внезапно (т.е. мгновенно
и с любого расстояния, что ли?)
воссоединиться. А где в это время витает
энергия? Куда бы приложить импульс?
Дирак продолжает свои фантазии: «Можно
произвести измерение энергии, не уничтожая
при этом составного пучка: например, можно
отразить пучок от движущегося зеркала и
измерить отдачу. Наше описание фотона
позволяет сделать вывод, что после такого
измерения энергии уже невозможно вызвать
явления интерференции между обеими
компонентами. [Да уж, в мысленных
экспериментах чего уже только не возможно.
– Авт.]. До тех пор, пока фотон находится
частично в одном, частично в другом пучке,
интерференция при наложении пучков может
возникнуть, но эта возможность исчезает,
как только фотон переведен посредством
измерения целиком в один из пучков. В этом
случае второй пучок перестает участвовать
в описании фотона, и следует считать, что он
целиком находится в первом пучке, с которым
в свою очередь, как обычно, можно произвести
любой опыт».
Может быть, наступил тот самый момент,
когда нелишне было бы подступиться к «самому
большому теоретику»
(шутливое
прозвище, данное Дираку его друзьями-коллегами
в Кембридже, за его отменно высокий рост.) П.
Дираку за буквальными разъяснениями по
поводу «некоторой волновой функции обычной
волновой оптики». Интуитивно, на уровне
здравого смысла, можно представить себе
световые волны Гюйгенса – Френеля,
ассоциирующиеся с упругими волнами эфира,
как это и было вплоть до XIX
века включительно, можно, по-видимому,
представить и электромагнитные волны
Максвелла – Герца, однако фотон тогда еще
не родился. И было бы чересчур оптимистично
утверждать в качестве аксиомы: «Все
виды частиц связаны с волнами и, обратно,
всякое волновое движение связано с
частицами». Это – в каком смысле? Это еще
надо уточнять и уточнять.
Иногда ловишь себя на крамольной мысли – а уж не пошутил ли наш уважаемый «самый большой теоретик»? Вбросил пробный шар и лукаво наблюдает за нашей игрой в поддавки. Действительно, отдельные положения со здравым смыслом согласуются слабо.
Однако Дирак бодро продолжает: «Таким путем,
квантовая механика способна примирить
противоречия между корпускулярными и
волновыми свойствами света.
[Каким же ясным путем?! – Авт.].
Существенным является то, что каждое
состояние движения фотона связывается с
некоторой волновой функцией обычной
волновой оптики. Сущность этой связи не
может быть описана на основе классической
механики и является чем-то совершенно новым.
Было бы совершенно неверно считать, что
фотон и связанная с ним волна
взаимодействуют между собой так же, как
взаимодействуют частицы и волны в
классической механике. Это соответствие
можно толковать только статистически: волновая
функция дает сведения о вероятности того,
что при измерении положения фотона мы
найдем его в том или ином месте».
Таким образом речь идет опять-таки о
математическом (вероятностном) объекте, П.
Дирак недвусмысленно в понятие «волновая
функция» вкладывает нефизическое
содержание математической фикции, т. е.
вроде бы волна есть, но с частицами,
фотонами, она не взаимодействует, при этом,
очевидно, «не забывая» взаимодействовать с
зеркалами и дифракционными решетками. Что
нас в таком случае удерживает от того, чтобы
продолжить аналогию на случай других
частиц, например, на случай электрона. И
если Дирак запросто «раскидывает» фотон по
разным пучкам (а в случае дифракционной
решетки, надо полагать [и страшно подумать!]
по всем щелям), то почему бы нам не «нашинковать»
электрон на части (с чем Р. Фейнман
категорически не согласен)?
Иногда можно прочитать у П. Дирака нечто такое, что-то вроде «подставы», напоминающее знаменитый курьезный эпизод из первого издания эйнштейновской «Эволюции физики»: «Еще за некоторое время до открытия квантовой механики физикам стало ясно, что связь между световыми волнами и фотонами должна иметь статистический характер [Фотоны, связь, статистический характер еще до открытия квантовой механики? Оригинально! А как же А. Эйнштейн, который и в 1951 г. взывает “что же такое фотон”? – Авт.].
Однако они еще не вполне понимали того, что
волновая функция дает сведения о
вероятности нахождения одного фотона в
данном месте, а не о вероятном числе фотонов
в этом месте. То, что это различие является
важным, видно из следующего рассуждения.
Пусть мы имеем пучок света, состоящий из
большого числа фотонов, который
расщепляется на две компоненты одинаковой
интенсивности. Сделав предположение о том,
что интенсивность пучка связана с
вероятным числом фотонов, мы получили бы,
что в каждую из компонент попала бы
половина от общего числа фотонов. Если
далее эти две компоненты будут
интерферировать, то мы должны потребовать,
чтобы фотон из одной компоненты мог
интерферировать с фотоном в другой
компоненте. Иногда эти два фотона
уничтожались бы, иногда же они превращались
бы в четыре фотона. Это противоречило бы
закону сохранения энергии. Новая теория,
которая связывает волновую функцию с
вероятностями для одного фотона,
преодолевает эту трудность, считая, что
каждый фотон входит отчасти в каждую из
двух компонент. Тогда каждый фотон
интерферирует лишь с самим собой.
Интерференции между двумя разными фотонами
никогда не происходит.
Рассмотренная выше связь между
частицами и волнами относится не только к
свету, а имеет, согласно современной теории,
универсальный характер. Все виды частиц
связаны с волнами и, обратно, всякое
волновое движение связано с частицами…
Читатель, возможно, будет неудовлетворен сделанной… попыткой согласовать существование фотонов с классической теорией света».
С последней фразой трудно не согласиться.
Она заслуживает того, чтобы напротив нее на
полях поставить жирный плюс.
Может сложиться устойчивое убеждение,
что «большая» физика – это удел избранных и
вотчина гениев, ограниченный круг имен
которых нам уже давно начертан на скрижалях
цивилизации. Оставшимся «за бортом» (по-видимому,
подразумевается «мелким сошкам»)
предлагается «своих
суждений не иметь»,
предлагается почтительно воспринимать и
верить, верить даже
вопреки здравому смыслу. Но не всегда так
получается, система иногда дает «сбои» и
появляются диссиденты от науки.
В частности, в предыдущем параграфе мы уже отмечали (см. стр. 121) приоритетные «отчаянные» попытки А.Л. Шаляпина в решении ключевых задач физики с классических позиций. И здесь мы, пожалуй, могли бы уточнить, что очередная его попытка наполнить электромагнитные поля материальным содержанием на основе квазиупругих процессов в физическом вакууме-эфире датируется 1989 годом. В принципе, проблема формулируется кратко – рассмотрение волновых процессов на основе акустики эфира. И при таком подходе выявилась масса интересных эффектов, которые полностью соответствуют реальной экспериментальной физике. Насколько продуктивным окажется этот путь – покажет будущее.
1. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна: Пер. с англ./Под ред. акад. А. А. Логунова. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 598 с. С. 367.
2. Дирак П. А. М. Пути физики. – М.: Наука, 1983. С. 18 – 21.