В Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли поставлен элегантный эксперимент, позволивший уточнить границы применимости квантовой механики. Объекты классической физики могут быть либо материальными телами, либо волнами, но не тем и другим одновременно. Обитатели микромира, например, кванты электромагнитного излучения, электроны, атомные ядра, атомы и молекулы, проявляют как свойства частиц, так и свойства волн.
Большие скопления микрочастиц также могут вести себя подобным образом, но только при очень низких температурах. В обычных условиях они полностью описываются законами классической физики. Сколь угодно крохотная пылинка подчиняется уравнениям ньютоновской механики в точности в той же степени, что и биллиардный шар или планета. Это происходит из-за того, что частицы взаимодействуют друг с другом – например, посредством электрических сил или гравитационного притяжения. Эти взаимодействия как бы стирают их волновые свойства.
Сколько микрочастиц надо задействовать, чтобы такое «стирание» можно было обнаружить с помощью реально осуществимых измерений? Физики из США, ФРГ, России и Испании продемонстрировали, что в определенных условиях хватит и четырех.
Этот эксперимент был осуществлен следующим образом. Сверхзвуковая струя молекулярного водорода обстреливалась рентгеновскими лучами. Как известно, электромагнитное излучение подходящей энергии ионизирует молекулы газа, выбивая из них по одному электрону. Это явление называется фотоионизацией. В данном случае имел место более сложный эффект – двойная фотоионизация. Хотя водородные молекулы поглощали по одному рентгеновскому кванту, они теряли сразу оба электрона, которые разлетались с разными скоростями, оставляя за собой «голые» ядра водорода, протоны. Движение протонов и электронов регистрировалось с помощью высокочувствительных детекторов.
Оказалось, что поведение высвободившихся электронов принципиально зависит от их относительных энергий. Если энергия быстрого электрона в несколько десятков раз превышала энергию медленного, он реагировал на присутствие протонов вполне квантовым образом, четко проявляя свои волновые свойства. Если же их энергии различались не так сильно, всего лишь в разы, быстрый электрон вел себя как классическая частица. В этом случае он сильнее взаимодействовал со своим медленным партнером и потому не мог проявлять свои квантовые свойства в той же мере, что и раньше. Конечно, оба электрона оставались квантовыми частицами, но их истинная природа оказалась завуалированной.
