Хорошо жить в понятном, ясно наблюдаемом и в некоторой заметной степени управляемом мире. Видишь камень, он так и остаётся камнем, пока ты его видишь. Ты можешь взять его и кинуть в цель. При некотором навыке бросания камней в цель ты даже можешь попасть в эту цель.
Но стоит только коснуться мира элементарных частиц, то оказывается, что они вовсе не как камни. Конечно, каждая из них, если стабильна, остаётся собой, но только в виде возможности где-то её обнаружить летящей куда-то. Причём чем в более тесные рамки ты эту возможность зажимаешь, тем более она непредсказуемой становится в смысле характера полёта.
Совсем мутно выглядит сам полёт. Вот есть у нас фотон в виде возможности его обнаружить в какой-то одной точке на некотором количестве достаточно протяжённых гребней волны (эту волну можно назвать множеством виртуальных ипостасей нашего фотона). Если на пути волны поставить препятствие с двумя щелями, то волна этим препятствием задержится или отразится всей его поверхностью, кроме щелей. Возможность обнаружить фотон просочится за препятствие в виде двух почти цилиндрических волн, по одной от каждой щели. Эти волны будут где-то складываться, увеличивая вероятность обнаружить фотон, где-то они будут гасить друг друга, исключая возможность его обнаружить. Это называется интерференцией волн.
Каждому ясно, что фотон может быть поглощён только целиком, например, лишь каким-то одним-единственным атомом, и он никогда не делится между двумя или бо́льшим количеством не связанных друг с другом атомов. Если он один и поскольку он маленький (меньше, чем щель, иначе не пролетит!), а щелей две, и между ними помещается очень много атомов, то значит, что он может пролететь только через одну щель! Но стоит только поставить у одной из щелей какой-нибудь датчик пролёта фотона, пусть и не поглощающий его ("малоинвазивный"), и этот датчик НЕ зарегистрирует пролёта фотона через щель, у которой он установлен, как возможность обнаружить фотон за препятствием изменит характер пространственного распределения. Например, сможет обнаружиться там, где до того обнаружен быть не мог. И всё потому, что в этом случае:
- виртуальный пролёт через контролируемую щель не состоялся, и цилиндрическая волна возможностей обнаружить фотон за эту щель не просочилась;
- поскольку фотон, в конце концов, каким-то атомом был пойман, то это значит, что стал достоверным его пролёт через другую щель, и она оказалась единственным источником цилиндрической волны вероятностей обнаружить фотон за препятствием
– то есть интерференция прекратилась, хотя детектор на реальный фотон не подействовал.
Как кажется любому нормальному человеку, в этом случае фотон так же пролетел бы и без детектора, и интерференция должна была бы состояться в виде запрета прилететь в тёмные полосы. Как может детектор, даже ни на что не влияя, отменить интерференцию?
А есть ещё интересный интерферометр, интерферометр Маха – Цандера (рис. 1). В нём волна каждого фотона проходит через светоделитель (полупрозрачное зеркало B), расщепляясь на волну, продолжающую движение в прежнем направлении, и волну, поворачивающую под углом 90о. Затем обе волны сходятся, вследствие отражений от двух зеркал (A и D), на втором светоделителе (полупрозрачном зеркале C), в котором они интерферируют так, что волна, которая могла бы выйти под углом 90о к входящей в интерферометр волне (то есть вверх на рис. 1), гасится, а волна, выходящая параллельно входящей волне, выходит невредимой. Самое главное здесь то, что все эти волны, оставаясь не более чем волнами вероятности обнаружить фотон, взаимодействуют, как "настоящие", с зеркалами, и отражающими, и полупрозрачными.
Теперь о полёте в пустом пространстве и принципе Гюйгенса-Френеля. Этот принцип говорит, что световая волна распространяется так, как если бы каждая её точка была источником вторичной сферической волны и все эти вторичные волны интерферировали друг с другом (такими источниками вторичных волн были точки щелей в вышеописанном опыте двухлучевой интерференции). В интерферометре Маха-Цандера получалось всего две интерферирующие волны, а тут… мозг вскипает при попытке представить, как все точки всех этих вторичных, третичных и т. д. волн становятся источниками других волн… Поэтому мы всё это представлять не будем, а зададимся вопросом: что побуждает точку, до которой дошло волновое возбуждение, становиться источником вторичной сферической волны, если в этой точке ничего нет, даже полупрозрачных зеркал? Пространство-то пустое!
Кажется, начинается самое интересное. Чему равна вероятность обнаружить фотон в точке пустого пространства, то есть пространства без наблюдателей? Проясняется вдруг тот факт, что вероятность обнаружения фотона является вероятностью условной, предполагающей стопроцентную вероятность наличия наблюдателя. А в пространстве без наблюдателей обнаружить что-либо невозможно, то есть вероятность обнаружения фотона равна нулю! Тогда как быть с амплитудой его волновой функции, ведь плотность вероятности обнаружить фотон равна квадрату этой амплитуды? Неужели в пространстве без наблюдателей фотон исчезает?
Фотон спасает то обстоятельство, что в мире, кроме фотона есть бездна других, тоже маленьких частиц со своими волнами вероятностей быть где-то обнаруженными. И хотя наибольшие вероятности обнаружить каждую из них находятся где-то в звёздах, планетах, облаках газа и т. п., но существуют малюсенькие вероятности того, что нет-нет, да какую-нибудь из них кто-то обнаружит вне её родной звезды, планеты, облака и т. п. Получается, что волна вероятностей обнаружить фотон образуется в море волн вероятностей обнаружить частицы, с которыми фотон мог бы реально взаимодействовать (быть обнаруженным).
Иными словами, квадрат амплитуды волновой функции фотона равен плотности вероятности не просто нахождения фотона в некоторой точке, а плотности вероятности его взаимодействия с какой-либо другой частицей в этой точке. То есть волновая функция фотона зависит от виртуального материального фона. Виртуальные ипостаси каждого фотона в каждой точке фронта его волны виртуально взаимодействуют с виртуальными ипостасями всех частиц Вселенной, которые переизлучают волны виртуальных ипостасей этого фотона. Эти вторичные волны интерферируют, создавая новые положения фронта волны, что, собственно, и является реализацией принципа Гюйгенса-Френеля. Нет-нет, да и происходит реальное взаимодействие, но это уж очень редко происходит в пустом пространстве: всё-таки свободных частиц относительно немного, а связанные частицы, в основном, остаются на местах своей прописки, а не скачут по Вселенной.
Повторим ещё раз, только кратко.
Амплитуда волны фотона в её точках характеризует плотность вероятности обнаружить реальный фотон в этих точках. Эта вероятность условна, поскольку предполагает наличие наблюдателя. В случае фотона наблюдателем является какая-либо частица, которая может вступить во взаимодействие с фотоном. То есть амплитуда волны характеризует плотность вероятности взаимодействия с какой-либо частицей. Это значит, что плотность вероятности обнаружения фотона при его полёте в "пустом" пространстве зависит от плотности вероятности логического объединения взаимодействий фотона в том же месте и в тот же момент с какой-либо из частиц Вселенной. Отсюда первый вывод: волна виртуальных фотонов распространяется в виртуальной среде частиц Вселенной.
Амплитуды и фазы волны в точках некоторой поверхности зависят от неоднородности виртуальной среды распространения вдоль этой поверхности, то есть могут быть для различных точек этой поверхности, в принципе, любыми. Произвольность параметров среды вдоль этой поверхности означает, что элементы поверхности являются, в общем случае, не зависящими друг от друга источниками для последующих состояний волны. Отсюда второй вывод: поверхность, через которую проходит волна, можно представить в виде суммы точечных источников волн, амплитуды и фазы которых испытывают воздействие виртуальной среды. Получилось, что виртуальные фотоны взаимодействуют не только с реальными зеркалами и прозрачными средами и т. п., но и с виртуальными средами.
Забавно: несбывшиеся фотоны тормозятся по-разному в разных точках, взаимодействуя с несбывшимися частицами, в результате чего… сбывшийся свет преломляется в физическом вакууме. Напоминает гравитационное линзирование, не правда ли?
Ранее [1] было показано, что скорость света в гравитационно эквипотенциальном объёме зависит от масштабного множителя k (связанного с тензором гравитационного потенциала) следующим образом:
c(k) = c(1)/k2, (1)
где c(k) = ν(k) λ(k);
ν(k) – частота удалённого фотона, λ(k) – длина волны удалённого фотона;
ν(k) = ν(1)/k; λ(k) = λ(1)/k.
Плотность вероятности наткнуться на частицу-наблюдатель возрастает с приближением к телу, в состав которого эта частица входит. Поскольку волновая функция фотона распространяется в море плотности вероятности наткнуться на частицы Вселенной, то можно связать эту плотность с суммарным гравитационным потенциалом Вселенной, который проявляет себя как масштабный множитель k. Квадрат этого множителя, как видно из из (1), тождествен коэффициенту преломления волны виртуальных фотонов в виртуальной среде частиц Вселенной (элементарных частиц, атомов, молекул и т.п.).
Мы пришли к тому, что:
- волна характеризует распределение плотности вероятности обнаружения частицы в разных точках с помощью других частиц;
- когда частица со 100%-й вероятностью в какой-то точке своей бесконечно протяжённой волны оказывается обнаруженной, эта волна меняет свою форму во всём пространстве сразу (скажем, из плоской становится сферической при её прохождении через маленькое отверстие).
Можно сказать, что эта волна представляет собой континуум виртуальных частиц в спутанных состояниях. Воздействие на одну из них в любой точке волны сказывается на состоянии всего континуума частиц во всём пространстве-времени. В некоторых системах отсчёта взаимодействие в данный момент с одной из виртуальных ипостасей реальной частицы изменит значения волновой функции реальной частицы в некотором прошлом. И в этом нет ничего удивительного. Например, мгновение назад у фотона была вероятность 50 % отразиться от светоделителя (априорная вероятность), а при взаимодействии со светоделителем он пролетел, как выяснилось потом при регистрации фотона, прямо. После этого прояснения вероятность отразиться в прошлом от светоделителя (апостериорная вероятность) оказывается равной 0 %.
Так вот что произошло при установке детектора у одной из щелей двухлучевого интерферометра! Детектор не просто стоял, ничего не трогал, а, на самом деле, он измерил состояние виртуального фотона, подлетевшего к его щели с надлежащей вероятностью, и констатировал, что это состояние равно отсутствию реального фотона. От этого волновая функция реального фотона в виде множества его спутанных виртуальных ипостасей свернулась от "где угодно на каком-то из гребней волны" до "где угодно на каком-то из гребней волны, кроме этой щели". То есть фотон мог поглотиться препятствием или отразиться от препятствия, или пролететь в каком-то другом месте в область за препятствием (щелей-то не обязательно две, да и туннельный эффект при некоторых условиях не исключён).
Да, забавная эта штука, бульон из волн несбывшегося. Прямо как континуум вселенных Эверетта. Незыблемость камня - это прямо подарок какой-то...
Продолжение следует...
[1] Г. М. Тележко. К вопросу о переносчике гравитационного взаимодействия.