Двухщелевой опыт Юнга

Фактическое начало принципам современной науки положил Исаак Ньютон, сформулировав фундаментальные законы классической механики еще в конце XVII века. Выведенные им закономерности настолько гладко объясняли существующие вокруг человека явления природы: силу притяжения, вращение небесных тел и так далее, - что фактически дали старт теоретическому научному познанию в физике. На протяжении следующих двухсот лет классическая ньютоновская механика развивалась, покоряя все более сложные явления нашего мира. В конце XIX века в среде ученых бытовало мнение, что задачи физики как науки практически исчерпаны. Предполагалось, что она смогла непротиворечиво объяснить буквально все, и в ее поле осталось лишь несколько незначительных задач.

Принцип детерминизма Лапласа

Как видим, успехи ньютоновской механики внесли существенную лепту в оптимистический взгляд на человеческие возможности в познании и влиянии на природу. Квинтэссенцией такого оптимизма в отношении познания окружающего мира стала концепция детерминизма ученого Пьера Симона Лапласа. Он высказал мнение,

что очень скоро ученые научатся не просто выяснять конкретное состояние физических явлений, но на основании этого и предсказывать будущие явления. Так, например, запустив камень, мы не всегда можем угадать, где именно он приземлится. Но вычислив его массу, импульс, который ему придали, и направление движения, мы сможем четко высчитать, где он упадет на землю. Примерно такой же в представлении Лапласа и множества других ученых рисовалась принципиальная (пусть и не всегда реальная из-за множества факторов) возможность вычисления текущего состояния любого вещества и явления, а значит, и предсказание его судьбы в дальнейшем.

Рождение теории относительности Эйнштейна и квантовой механики

Болезненным разрушением этих идей стало выявления в начале XX века удивительных свойств мира субатомных частиц, в том числе их продемонстрировал и опыт Юнга. Первым ударом по, казалось бы, нерушимой правде ньютоновских законов стало вычисление скорости света, которая никак не вписывалась в классическую механику, вследствие чего законы последней пришлось корректировать. Это удалось сделать Альберту Эйнштейну в 1905 г. Параллельно рождению эйнштейновской теории относительности, которая вскрыла связь между пространством и временем и вновь смогла непротиворечиво объяснить природу на огромных вселенских масштабах, рождалась и другая наука – квантовая механика. И здесь очень скоро обнаружилось, что субатомные частицы живут по совершенно уникальным законам, которые не смогли бы объяснить ни Ньютон, ни Эйнштейн. В двадцатые годы она предвещала еще большие сложности, чем те, с которыми сталкивались физики ранее.

Вернер Гейзенберг и его принцип неопределенности

Немецкий ученый Вернер Гейзенберг первым сообразил, что детерминизм Лапласа неприменим к этому микроскопическому миру. Дело в том, что, проводя исследования в нашем макромире, мы так или иначе воздействуем на изучаемые элементы. Но любое наблюдение за квантовым миром вносит возмущение в его поведение. Чтобы заглянуть туда, мы должны «бросить» фотоны, которые сравнимы по размерам с протонами, нейтронами, электронами, а значит, ощутимо влияют на них, ставя крест на любом эксперименте. Согласно теоретическим расчетам Гейзенберга, мы могли бы вычислить точно либо положение частицы в пространстве, либо ее скорость, но никогда - одно и другое сразу.

Двухщелевой опыт Юнга

Английский ученый Томас Юнг еще на стыке XVIII и XIX веков поставил эксперимент, который открыл физикам явление интерференции света. В тот момент среди ученых шли споры о том, что представляет собой свет: корпусные частицы или волну. Опыт Юнга заключался в следующем. Он пускал свет на ширму через пластинку, в которой были прорезаны две щели. Если бы свет состоял из мельчайших частиц, то на ширме бы отразились лишь две световые полоски, частицы бы четко проходили через две прорези. Но опыт Юнга продемонстрировал, что свет оставляет на ширме интерференционный узор. Происходит это вследствие его волновой природы. Волна, сталкиваясь с заградительной пластинкой, разбивается надвое, уже пройдя ее. Но далее по пути к ширме амплитуда волны одной сталкивается с другой, они взаимно гасят друг друга, создавая в разных местах меньшую и большую концентрацию света. Тогда эксперимент стал прямым доказательством волновой природы света. Но с дальнейшими открытиями возникли и новые вопросы. Макс Планк сумел доказать, что световая волна все же состоит из дискретных частей – фотонов. Так почему же они не ведут себя как частицы? Уже в XX век физики неоднократно повторяли опыт Юнга, убеждаясь, что свет ведет себя как волна. Было предположено, что одновременно выпущенные пучками фотоны как бы отбиваются друг от друга, создавая такую картину из многочисленных полос. Так же вели себя и очевидные частицы – электроны, которые по всем понятиям физиков уж точно должны были обладать корпускулярными свойствами. Чтобы прояснить вопрос, был поставлен эксперимент, в котором электроны выпускались лишь по одному. Казалось бы, один

электрон должен четко пролетать через одно из отверстий и оставлять след на ширме в одном из двух мест. Парадоксально, но интерференция повторилась. Но по-настоящему удивительным фактом стало то, что все попытки установить сверхчувствительные приборы и засечь траекторию движения каждого электрона приводили к тому, что он начинал вести себя как частица. Интерференция пропадала. И это происходит не из-за слабых технический возможностей, а буквально из-за неопределенности самой природы. Частица просто не находится в одном конкретном месте. Траекторию ее движения можно определить лишь как вероятность. То есть она буквально может находится в нескольких местах одновременно и проходить по всем возможным траекториям (одна частица буквально проходит и через одну, и через другую щель). Это удивительное свойство было названо нелокальностью субатомных элементов и продемонстрировало их двойственную корпускулярно-волновую природу.