# Об интерференции одиночного фотона

Борн Пит

Научно-популярная заметка без формул

Об интерференции одиночного фотона


Как выяснилось, научно-популярный Интернет заполнен спорами о том, интерферирует ли одиночный фотон (или электрон) сам с собой при прохождении через преграду - непроницаемый экран с двумя узкими щелями. Иными словами, проявляет ли он волновые свойства при отсутствии других фотонов.

Многие люди, поверхностно знакомые с физикой, убеждены, что проявляет и что на регистрирующем приборе (экране, фотопластинке), раположенном за преградой, наблюдается интерференционная картина.

Любопытно, что дифракцию одиночного фотона на одной щели можно объяснить не только его волновыми свойствами. Это до сих пор дает повод противникам квантовой теории отрицать корпускулярно-волновой дуализм. А вот прохождение сквозь две щели сразу, которое только и может дать интерференционную картину, объяснить иначе как волновыми свойствами частицы нельзя. Поэтому вопрос, несмотря на его "древность", представляется до сих пор актуальным.

По сети гуляет даже мультик для школьников про электроны, где зрителю показывают, как шарик-электрончик расплывается в волну, волна втягивается в две щели, а за щелью две половинные волны накладываются друг на друга и дают рябь, словно две волны на воде, сходящиеся под углом. Тем самым утверждается, что волновые свойства явно присущи не только ансамблю частиц, но и отдельной частице.

Увы, это не соответствует действительности и противоречит современным физическим представлениям. К сожалению, данный козырь против противников квантовой теории не работат. Одиночный, как бы изолированный фотон давать интерференционную картину не может.

Ниже приводится простое, достаточно популярное, но, надеюсь, физически осмысленное объяснение, почему это так.


Давайте порассуждаем. Допустим, мы хотим посмотреть интерференционную картину на фотопластинке или на фосфоресцирующем экране. Что нужно для регистрации этой картины? Что должно произойти?

На фотопластинке должна произойти химическая реакция в эмульсии (распад молекул бромида серебра), которую вызывают фотоны. На экране - должно засветиться покрытие, то есть некие атомы должны испустить свет. Атомы испускают свет, вступив в реакцию с падающим на них светом, с прилетевшими фотонами.

Теперь вспомним, что такое квант энергии. Понятию этому лет сто десять, и его почти сто лет объясняют на уроках физики и химии, но все-таки напомню основное.

Квант, он же фотон, - это, с одной стороны, плоская электромагнитная волна, а с другой - неделимая порция энергии. Неделимость порции энергии означает, что фотон не меняется при своем движении в вакууме, от него невозможно отщипнуть и к нему невозможно добавить кусочек энергии. Когда же фотон взаимодействует с веществом, то взаимодействует весь, целиком, всей своей порцией энергии. (При этом он поглощается, энергия переходит в другую форму.) Испускание фотонов веществом тоже происходит порциями, квантами.

Благодаря тому что передача энергии возможна только фиксированными порциями, электроны атомов не падают на ядра. Попросту говоря, атомы существуют благодаря квантованности энергии. Так что, несмотря на то что фотон - это электромагнитная волна, никто не отменял то, что он квант. Отмена квантов отменила бы атомы и нас самих. ☺

Углубляться в этот вопрос мы не будем, только еще раз подчеркну, что, хотя кванты могут обладать энергией любой величины, однако в любой реакции с участием фотона конкретный квант выступает как единая, неделимая порция энергии.

Вернемся к экрану и фотопластинке.


По указанной причине любой фотон способен участвовать только в одной реакции разложения одной молекулы в фотоэмульсии. Или он может быть поглощен лишь одним атомом фосфоресцирующего покрытия. (То же самое принципиально относится к любому методу регистрации фотонов, поэтому другие методы рассматривать не будем.) Следовательно, от одиночного фотона и в том и в другом случае произойдет засветка в единственной точке пластинки или экрана.

(После этого в эмульсии или покрытии вблизи этой точки может произойти каскад реакций, из-за чего пятнышко будет не точечным, но этот процесс уже не имеет никакого отношения к интерференции.)

Вот и всё объяснение. Единственный фотон может вызвать засветку единственной точки, и никак иначе. Интерференционной картине - набору светлых и темных участков - просто неоткуда взяться. Она появляется только при наличии потока частиц, то есть это коллективный эффект. (Если вспомнить, то ведь и "обычная" интерференция, обычная волна, допустим на воде, - это тоже результат коллективного поведения частиц, а не отдельной частицы и не массы воды как целого.)

Ничего сложного, если подумать.

Так что если вам, уважаемые читатели, скажут, что в каком-то эксперименте наблюдалось прохождение фотона сразу через две щели, не верьте. Наблюдалось-то наблюдалось, но прохождение не изолированного фотона, а их потока.


Напоследок - о собственно интерференции одиночного фотона. Интерференционную картину мы увидеть не можем, так, может, интерференции вовсе нет? Тогда, может, нет и никакого дуализма свойств у изолированной частицы?

На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Может быть, ответить нельзя пока, а может быть, вообще. Квантовая теория, во всяком случае, ответить не может. Она не изучает подробности процессов во времени, а лишь рассматривает состояния систем, участвующих в процессах. В случае фотона и преграды со щелями мы, согласно квантовой механике, можем указать для него два состояния - начальное (до преграды) и конечное (после нее). Начальное состояние можно определить по связанному с испусканием фотона изменению состояния источника света. Конечное состояние мы видим (регистрируем) в одной точке эмульсии или экрана за преградой. И это всё, что мы знаем о фотоне, преодолевшем преграду. Что случилось в промежутке - шмыгнул ли фотон в одну щель или, разделившись, как истинная волна, просочился сразу сквозь две, а за щелями вновь слился, - квантовая теория не говорит. Для ответа, видимо, нужна новая теория.


Здесь усматривается аналогия с виртуальными частицами. Их введение удобно для вычислений, и вроде бы теория не запрещает им существовать. Но зарегистрировать виртуальные частицы нельзя принципиально - ни прямо, ни косвенно. Поэтому нельзя определенно сказать, существуют ли они.

Принцип Оккама гласит, что следует отбрасывать избыточные сущности. Вопрос в том, избыточны ли сущности непроявляемые. Отбрасывать их пока не стоит. Вдруг когда-нибудь проявятся. В любом случае нужно оставить их в качестве вспомогательного аппарата (подобно отрицательным и мнимым числам). Удобство вещь немаловажная.


(Пётр Бородин, январь 2012 г.)