Текст книги "Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики"

Автор книги: Роджер Пенроуз

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 47 страниц)

Амплитуды вероятностей

Выбор фотона в приведенных выше рассуждениях не был продиктован ничем особенным. С тем же успехом для этого подошли бы электроны, любые другие частицы или даже целые атомы. Правила квантовой механики, насколько можно судить, утверждают, что и крикетные шары, и слоны должны вести себя описанным выше странным образом, где различные альтернативные возможности могут каким-то образом образовывать «суммы» состояний с комплексными весами! Однако нам никогда не приходилось реально видетькрикетные шары или слонов в виде столь странных «сумм». Почему? Это трудная и к тому же противоречивая тема, которую я не хотел бы сейчас затрагивать. А пока же мы просто допустим в качестве рабочего правила, что существуют два различных возможных уровня описания физической реальности, которые мы называем квантовым уровнем и классическим уровнем . Мы будем использовать эти странные комбинации состояний с комплекснозначными весами только на квантовом уровне. Крикетные же шары и слоны будут у нас объектами классического уровня.

Квантовый уровень – это уровень молекул, атомов и других субатомных частиц. Обычно считается, что это уровень явлений очень «малого масштаба», но эта «малость» не относится к физическим размерам. Мы увидим, что квантовые эффекты могут происходить на расстояниях многих метров или даже световых лет. Правильнее было бы считать, что нечто принадлежит «квантовому уровню», если это связано лишь с очень малыми изменениями энергии. (В дальнейшем я попытаюсь уточнить, о чем идет речь, главным образом в главе 8,) Классический уровень – это «макроскопический» уровень, о котором мы имеем более непосредственные знания. Это – тот уровень, для которого верны наши обыденные представления о «происходящем», и где можно использовать наше обычное понятие вероятности. Мы увидим, что комплексные числа, которые нам приходится использовать на квантовом уровне, тесно связаны с классическими вероятностями. Но они не тождественны друг другу, и поэтому чтобы освоиться с этими комплексными числа, было бы очень полезно вспомнить для начала, как ведут себя классические вероятности.

Рассмотрим некую неопределеннуюклассическую систему, то есть систему, о которой мы не знаем, в каком из двух альтернативных состояний А или В она находится. Такую систему можно было бы рассматривать как «взвешенную» комбинацию альтернатив А и В :

р х альтернатива А + q х альтернатива В ,

где р – вероятность события A , a q – вероятность события В . (Напомним, что вероятность – действительное число, принимающее значение от 0 до 1 . Вероятность 1 означает, что событие «заведомо произойдет», а вероятность 0 означает, что событие «заведомо не произойдет».) Если А и В – единственно возможныеальтернативы, то сумма их вероятностей должна быть равна 1 :

p + q = 1 .

Если же существуют и другие возможности, то эта сумма должна быть меньше 1 . В этом случае выражение р: q дает отношениевероятности события А к вероятности события В . А сами вероятности событий А и В (при условии, что имеются только эти две альтернативы) были бы равна, соответственно, p /( p + q ) и q /( p + q ) – Мы можем использовать такую интерпретацию и в том случае, когда сумма р + q больше 1 . (Такой способ вычисления вероятностей мог бы быть полезным, например, если бы мы многократно повторяли эксперимент, а р было бы количеством событий A , a q – количеством событий В ). Мы будем говорить, что числа р и q нормированы, если р + q = 1 , в этом случае они дают сами вероятности, а не только отношения вероятностей.

Подобнымобразом мы поступаем и в квантовой физике, с тем лишь исключением, что в квантовой физике р и q – комплексныечисла, в силу чего я предпочитаю их обозначить  ω и z , соответственно:

ω х альтернатива А + z х альтернатива В .

Как же теперь нам истолковать ω и z ? Несомненно, что они не являются обычными вероятностями (или отношениями вероятностей), так как каждое из чисел ω и z может по отдельности быть отрицательным или комплексным. Но во многих отношениях они ведут себя подобно вероятностям. Числа той z (при соответствующей нормировке – см. далее) принято называть амплитудами вероятности, или просто амплитудами. Более того, часто используют терминологию, которая наводит на мысль о вероятностях, например: «Существует амплитуда ω того, что произойдет событие А , и амплитуда z того, что произойдет событие В». Амплитуды еще не вероятности, но на миг попытаемся сделать вид, будто они являются вероятностями или, точнее, аналогами вероятностей на квантовом уровне.

Как проявляются обычныевероятности? Полезно представить себе какой-нибудь макроскопический объект, например, шарик, прошедший сквозь одну из двух щелей к стоящему позади экрану (как в описанном выше эксперименте с двумя щелями (см. рис. 6.3), но вместо прежнего фотона теперь фигурирует классический макроскопический шарик). Должна существовать некоторая вероятность P ( s , t ) того, что отправившись из точки s шарик достигнет верхнего отверстия t , и некоторая вероятность P ( s , t ) того, что шарик достигнет нижнего отверстия b . Кроме того, если мы выберем некоторую точку р на экране, то должна существовать некоторая вероятность P ( t , р ) того, что шарик достигнет точки р на экране, пройдя через t , и некоторая вероятность Р ( b , р ) того, что он что шарик достигнет точки р , пройдя через b . Если открыто только отверстие t , то для того, чтобы найти вероятность того, что шарик действительно достигает точки р , пройдя через отверстие t , мы умножаем вероятность того, что он попадает из точки s в t , на вероятность того, что он попадает из t в точку р :

P ( s , t ) х P ( t , p ).

Аналогично, если открыто только нижнее отверстие, то вероятность того, что шарик попадает из s в р , равна

P ( s , b) х Р ( b , р ).

Если открыты оба отверстия, то вероятность того, что шарик попадает из s в точку р через t , по-прежнему равна первому произведению P( s , t ) х P ( t , р ) (так, как если бы было открыто только отверстие t ), и вероятность того, что шарик попадает из точки s в точку р через b , по-прежнему равна P ( s , b ) х Р ( b , р ). Поэтому полная вероятность P ( s , р ) того, что шарик, побывав в точке р , попадет в точку s , равна сумме двух приведенных выше вероятностей:

P ( s , р ) = P ( s , t ) х P ( t , р ) + P ( s , b ) x P ( b , p ).

На квантовомуровне эти правила остаются в точности такими же, с тем лишь исключением, что теперь роль вероятностей, с которыми мы имели дело в классическом случае, должны играть эти странные комплексные амплитуды. Например, в рассмотренном выше эксперименте с двумя щелями мы имеем амплитуду A ( s , t ) того, что фотон достигнет верхней щели t из источника s , и амплитуду A ( t , р ) того, что фотон достигнет точки р на экране из щели t , и, перемножив эти амплитуды, мы получим амплитуду

A ( s , t ) х A ( t , p )

того, что фотон достигнет точки р на экране через щель t . Как и в случае вероятностей, это – правильная амплитуда в предположении, что верхняя щель открыта независимо от того, открыта или не открыта нижняя щель b . Аналогично, в предположении, что открыта нижняя щель b , мы получаем амплитуду

A ( x , b ) х А ( b , р )

того, что фотон достигнет точки р на экране через щель b (независимо от того, открыта или не открыта верхняя щель t ). Если же открыты обе щели, то мы получаем полную амплитуду

A ( s , р ) = A ( s , t ) х A ( t , р ) + A ( s , b ) х A ( b , р )

того, что фотон попадает в точку р из точки s .

Все это очень мило, но совершенно бесполезно, пока мы не знаем, как интерпретировать амплитуды, когда квантовый эффект увеличивается до классического уровня. Мы могли бы, например, поместить детектор фотонов, или фотоячейкув точке р , что дало бы нам способ увеличения события, происходящего на квантовом уровне, – прибытия фотона в точку р – до события, различимого на классическом уровне, скажем, громкого «щелчка». (С таким же успехом можно было бы взять в качестве экрана фотопластинку, на которой фотон оставляет видимое пятнышко, но для большей доходчивости мы все же воспользуемся фотоячейкой, издающей при срабатывании звуковой сигнал.) Должна существовать реальная вероятностьтого, что произойдет восприятие звукового «щелчка», а не одной из этих загадочных «амплитуд»! Как нам перейти от амплитуд к вероятностям, когда мы переходим с квантового уровня на классический? Оказывается, что для этого существует очень красивое, но удивительное правило.

Правило это состоит в том, что для получения классической вероятности, необходимо взять квадрат модуляквантовой комплексной амплитуды. Что такое «квадрат модуля»? Напомним как изображаются комплексные числа на плоскости Аргана (глава 3, с. 84). Модуль | z | комплексного числа z есть просто расстояние от начала координат (т. е. от точки 0 ) до точки, изображающей число z . Квадрат модуля | z | ² – просто квадрат этого числа. Таким образом, если

z = х + iy ,

где x и у – действительные числа, то (по теореме Пифагора, так как отрезок прямой, соединяющий точки 0 и z , служит гипотенузой прямоугольного треугольника с катетами х и у ) квадрат модуля равен

| z | ² = х ² + у ² .

Заметим, что для того, чтобы это выражение было настоящей «нормированной» вероятностью, значение | z | ² должно быть заключено между 0 и 1 . Это означает, что для того, чтобы быть надлежащим образом нормированной амплитудой, точка z на плоскости Аргана должна лежать где-то внутри единичной окружности(рис. 6.8).

Рис. 6.8.Амплитуда вероятности представлена как точка z внутри единичной окружности на плоскости Аргана. Квадрат расстояния | z | ² от центра может стать действительной вероятностью, если эффекты увеличены до классического уровня

Однако иногда возникает необходимость рассматривать комбинации

ω х альтернатива А + z х альтернатива В ,

где ω и z – всего лишь пропорциональныамплитудам вероятностей и поэтому не должны лежать внутри единичной окружности. Условие их нормированности(и, следовательно, того, что они дают настоящие амплитуды вероятностей) заключается в том, что сумма квадратових модулейдолжна быть равна единице:

| ω | ² + | z | ² = 1 .

Если числа ω и z не удовлетворяют этому условию нормировки, то настоящими амплитудами вероятностей альтернатив А и В , соответственно, служат величины

которые лежат внутри единичной окружности.

Теперь мы видим, что амплитуда вероятности в конечном счете представляет собой аналог не настоящей вероятности, а скорее «комплексного квадратного корня» из вероятности. Что происходит с ней, когда эффекты квантового уровня увеличиваются настолько, что достигают классического уровня? Напомним, что, манипулируя с вероятностями и амплитудами, мы иногда сталкивались с необходимостью производить их умножение и сложение. Прежде всего заметим, что операция умноженияне сопряжена с какими-либо проблемами при переходе от квантовых правил к классическим. Происходит это вследствие замечательного математического факта: квадрат модуля произведения двух комплексных чисел равен произведению квадратов модулей каждого из чисел:

| zω | ² = | z | ² | ω | ^2.

(Это свойство непосредственно следует из геометрического смысла произведения двух комплексных чисел, приведенного в главе 3, но на языке действительной и мнимой частей z = х + iу , ω = u + iv ; это – прекрасное маленькое чудо. Проверьте сами!)

Из этого факта следует, что если в эксперименте с двумя щелями для частицы существует только один маршрут (открыта только одна щель, например t ), то рассуждения можно строить «классически», и вероятности получатся одними и теми же, независимо от того, наблюдаем ли мы за прохождением частицы в промежуточных точках ее пути (в щели t ) [142]142
  Это наблюдение необходимо произвести так, чтобы не помешать прохождению частицы через щель t . Этого можно было бы достичь, разместив детекторы в другом месте – рядом с щелью s . Тогда можно будет делать заключение о прохождении частицы через щель t , когда эти детекторы не срабатывают!


[Закрыть]. А квадраты модулей можно будет взять на любой стадии наших вычислений, например,

| A ( s , t )| ² х | A ( t , p )| ²  = | A ( s , t ) х A ( t , p )| ² .

Ответ – результирующая вероятность – получится одним и тем же.

Но если перед частицей открыт более чем один маршрут (например, если открыты обе щели), то необходимо образовывать сумму, и здесь-то и начинают обнаруживаться характерные особенности квантовой механики. Когда мы образуем квадрат модуля суммы ω + z двух комплексных чисел ω и z , мы обычно не получаемтолько лишь сумму квадратов модулей этих чисел; существует дополнительный «поправочный член»:

| ω + z | ² = | ω | ² + | z | ² + 2 | ω || z | cosθ ,

где θ – угол, образуемый направлениями на точки z и ω из начала координат на плоскости Аргана (рис. 6.9).

(Напомним, что косинус угла есть отношение «прилежащий к углу катет/гипотенуза» для прямоугольного треугольника. Пытливый читатель, незнакомый с этой формулой, может попытаться самостоятельно вывести ее, используя геометрию, изложенную в главе 3. В сущности эта формула есть не что иное, как слегка «замаскированное» хорошо известное «правило косинуса»!) Именно поправочный член 2 | ω || z | cosθ описывает квантовую интерференциюмежду квантовомеханическими альтернативами. Значение cosθ заключено между -1 и 1 . При θ = 0 ° мы имеем cosθ = 1 , и две альтернативы усиливают друг друга так, что полная вероятность оказывается больше суммы отдельных вероятностей. При θ = 180 ° мы имеем cosθ = – 1 , и две альтернативы стремятся погасить друг друга, в результате чего полная вероятность оказывается меньше суммы отдельных вероятностей (деструктивная интерференция). При θ  = 90 ° мы имеем cosθ = 0 , и получается ситуация, промежуточная между двумя упомянутыми выше: две вероятности просто суммируются. Для больших или сложных систем поправочные члены обычно «усредняются», так как «среднее» значение cosθ равно нулю, и мы получаем обычные правила классической вероятности! Но на квантовом уровне эти члены описывают важные интерференционные эффекты.

Рассмотрим эксперимент с двумя щелями, когда обе щели открыты. Амплитуда того, что фотон достигает точки р , равна сумме ω + z , где

ω = A ( s , t ) x A ( t , p ) и z = A ( s , b ) x A ( b , p ).

В самых яркихточках экрана имеем: ω = z (так что cosθ = 1 ), откуда

| ω + z | ² = | 2ω | ²= 4 | ω | ² ,

что в 4 раза больше вероятности | ω | ² , когда открыта только верхняя щель, и приводит к увеличению интенсивности потока большого числа фотонов в 4 раза, в полном согласии с экспериментом. В темных точках экрана имеем ω = – z (так что cosθ = – 1 ), откуда

| ω + z | ²= | ω – ω | ²= 0 ,

т. е. интенсивность равна нулю(деструктивная интерференция!) также в соответствии с наблюдением. Точно посередине между этими точками мы имеем: ω = iz или ω = – iz (так что cosθ = 0 ), откуда

| ω + z | ² – | ω ± iω | ² = | ω | ² + | ω | ² = 2 | ω | ² ,

что дает вдвое бо́льшуюинтенсивность освещенности по сравнению с освещенностью только при одной щели (как в случае с классическими частицами). В конце следующего раздела мы узнаем, как рассчитывать, где именно расположены яркие, темные точки и точки с промежуточной интенсивностью освещенности.

И в заключение одно замечание. Когда открыты обе щели, амплитуда того, что частица достигнет точки р через щель t , в самом деле равна ω = A ( s , t ) х A ( t , p ), но мы не можем интерпретировать квадрат ее модуля | ω | ² как вероятность того, что частица «действительно» прошла через верхнюю щель, чтобы достигнуть точки р . Такая интерпретация привела бы нас к бессмысленным ответам, в особенности, если точка р находится в темном месте на экране. Но если мы захотим «зарегистрировать» присутствие фотона в щели t , то усиливая эффект его присутствия (или отсутствия) тамдо классического уровня, мы можемиспользовать величину | A ( s , t )| ² в качестве вероятности того, что фотон действительно присутствует в щели t . Но такое наблюдение нарушило бы картину распределения волн. Для того, чтобы произошла интерференция, нам необходимо убедиться в том, что прохождение фотона через щели остается на квантовом уровне , так чтобы оба альтернативных маршрута давали свой вклад и иногда могли гасить друг друга. На квантовом уровне отдельные альтернативные маршруты обладают только амплитудами, но не вероятностями.

Квантовое состояние частицы

Как выглядит «физическая реальность» на квантовом уровне, где различные «альтернативные возможности», открытые перед системой, должны всегда обладать способностью сосуществовать, образуя суммы со странными комплекснозначными весами? Многие физики впадают в отчаяние при виде такой картины. Вместо этого они призывают рассматривать квантовую теорию только в качестве вычислительной процедуры для расчета вероятностей, а не объективной картины физического мира. Некоторые из них вполне серьезно заявляют, что квантовая теория проповедует невозможность получения объективной картины, по крайней мере той, которая согласуется с физическими фактами. Я же считаю такой пессимизм совершенно необоснованным. Во всяком случае было бы преждевременно на основании сказанного выше принять подобную точку зрения. Позднее мы рассмотрим некоторые из наиболее поразительных следствий квантовых эффектов, что возможно позволит нам понять причины такого отчаяния. Но пока давайте смотреть на вещи более оптимистично и мужественно встретим все, что уготовила нам квантовая теория.

Первым предстанет перед нами квантовое состояние . Попытаемся мысленно представить себе одну-единственную квантовую частицу. Классически, частица определяется своим положением в пространстве, и для того, чтобы узнать, что произойдет с частицей дальше, нам также необходимо знать ее скорость (или, что эквивалентно, ее импульс). Квантовомеханически, любое положение, которое может занимать частица, является лишь одной их возможных «альтернатив» для частицы. Мы уже видели, что все альтернативы должны каким-то образом объединяться вместе с комплекснозначными весами. Набор этих комплекснозначных весов описывает квантовое состояние частицы. Обычно в квантовой теории принято использовать греческую букву ψ (произносится: «пси») для обозначения такого набора весов. Этот набор весов, рассматриваемый как комплекснозначная функция положения частицы, называется волновой функцией частицы. Для каждого положения х волновая функция принимает вполне определенное значение ψ ( х ) – амплитуду вероятности того, что частица находится в положении х . Мы можем использовать одну букву ψ для обозначения квантового состояния как единого целого. Я разделяю ту точку зрения, что квантовое состояние ψ частицы – это и есть ее физически реальноеположения в пространстве.

Каким же образом можно наглядно изобразить комплексную функцию ψ  ? Сделать это сразу для всего трехмерного пространства несколько затруднительно, поэтому мы немного упростим задачу и предположим, что наложенные связи позволяют частице двигаться только вдоль одномерной линии – например, оси х обычной (декартовой) системы координат. Если бы функция ψ была вещественной, то мы могли бы представить себе ось y , перпендикулярную оси х , и построить график функции ψ (рис. 6.10а).

Рис. 6.10.а)График действительной функции действительной переменной х

Но в данном случае для изображения значения комплекснойфункции ψ нам требуется «комплексная ось у » – плоскость Аргана. Для этой цели вообразим, что мы можем использовать два других пространственных измерения: например, у -направление в качестве действительнойоси плоскости Аргана, а z -направление – как мнимуюось. Для получения правильной картины волновой функции мы можем изобразить ψ ( х ) (значение функции в точке х ) точкой на этой плоскости Аргана (т. е. на плоскости yz , проходящей через каждую точку оси х ). Когда положение точки х изменяется, то изменяется также и положение точки на плоскости Аргана. При этом точка описывает некоторую кривую в пространстве, извивающуюся вокруг оси х (рис. 6.10 b).

Рис. 6.10.б)график комплексной функции V действительной переменной х

Назовем эту кривую ψ – кривой рассматриваемой частицы. Если бы мы поместили в некоторой точке х детектор, то вероятность обнаружить частицу в данной точке можно найти, вычислив квадрат модуля амплитуды ψ ( х ), т. е.

| ψ ( x )| ²

равный квадрату расстояния ψ -кривой от оси x [143]143
  Здесь возникает техническая трудность, так как настоящая вероятность найти частицу строгов данной точке была бы равна нулю. Поэтому величину
  | ψ ( x )| ² мы предпочитаем называть плотностью вероятности. Это означает, что на самом деле нам нужна вероятность найти частицу в некотором малом интервале фиксированных размеров. Таким образом, ψ ( х ) определяет плотность амплитуды, а не просто амплитуду.


[Закрыть].

Чтобы изобразить подобным образом волновую функцию, определенную на всем трехмерном физическом пространстве, понадобилось бы пять измерений: три – для физического пространства и два – для плоскости Аргана в каждой точке, в которой мы строим график функции ψ ( х ). Однако наша упрощенная картина еще нам пригодится. Если мы захотим изучить поведение волновой функции вдоль произвольного направления в физическом пространстве, то для этого необходимо просто выбрать ось х вдоль этой линии, а два других пространственных измерения временно использовать в качестве действительной и мнимой осей на плоскости Аргана. Этот способ поможет нашему осмыслению эксперимента с двумя щелями.

Как я упоминал выше, в классической физике для того, чтобы определить, что будет происходить дальше, необходимо знать скорость (или импульс) частицы. В квантовой механике нам представляется значительная экономия. Волновая функция ψ уже содержит различные амплитуды для различных возможных импульсов! (Кое-кто из недовольных читателей может возразить, что «самое время» говорить об экономии, если принять во внимание, как сильно нам пришлось усложнить простую классическую картину точечной частицы. Хотя я во многом согласен с таким читателем, я все же советую не отвергать те лакомые кусочки, которые ему преподносят, ибо худшее еще впереди!) Каким образом амплитуды скоростей определяются волновой функцией ψ ? На самом же деле лучше думать в терминах амплитуд импульсов. (Напомним, что импульс, или количество движения, равен скорости, умноженной на массу частицы, см. гл.6 «Уравнение Шредингера; уравнение Дирака») Для этого следует применить к волновой функции ψ так называемый гармонический анализ. Подробно объяснять здесь, что это такое, было бы неуместно, скажу только, что он тесно связан с тем, что происходит с музыкальными звуками. Волну любой формы можно разложить в сумму различных «гармоник» (отсюда и термин «гармонический анализ»), которые представляют собой чистые тона различной высоты (т. е. с различными частотами). В случае волновой функции ψ «чистые тона» соответствуют различным возможным значениям импульса, которые может иметь частица, а величина вклада каждого «чистого тона» в ψ определяет амплитуду соответствующего значения импульса. Сами «чистые тона» называются импульсными состояниями.

Как выглядит импульсное состояние, представленное ψ – функцией? Оно похоже на кривую, напоминающую по форме штопор, официальное математическое название которой – винтовая линия(рис. 6.11) [144]144
  На стандартном аналитическом языке любая из наших штопорообразных винтовых линий (т. е. любое импульсное состояние) задается формулой
   ψ =  e ^ipx/h = cos(ipx/h) + i sin(ipx/h),
  где р – рассматривемое значение импульса z . (см. главу 3)


[Закрыть].

Рис. 6.11.Импульсное состояние имеет ψ -кривую в форме штопора

Штопоры с частыми витками соответствуют большим импульсам, а штопоры, которые едва вращаются, – очень малым импульсам. Существует предельный случай, когда ψ -кривая вообще не делает витков и вырождается в прямую в случае нулевого импульса. В поведении винтовой линии неявно скрыто знаменитое соотношение Планка . Так как энергия Е всегда пропорциональна частоте v ( Е  = hv ), то частые витки означают короткую длину волны, большую частотуи, следовательно, большой импульс и высокую энергию, а редкие витки означают малую частоту и низкую энергию. Если плоскости Аргана ориентированы обычным способом (т. е. когда оси х , у , z образуют, как описано выше, правую тройку), то импульсы, направленные в положительном направлении оси х , соответствуют правым штопорам (которые обычно и используются).

Иногда квантовые состояния полезно описывать не в терминах обычных волновых функций, как это было сделано выше, а в терминах волновых функций импульсов. Это сводится к рассмотрению разложения волновой функции ψ по различным импульсным состояниям и построению новой функции ψ′ , зависящей на этот раз не от положения х , а от импульса р ; значение ψ′ ( p ) при любом р задает величину вклада состояния с импульсом р в ψ -функцию. (Пространство величин р называется импульсным пространством.) Смысл ψ′ состоит в том, что при каждом конкретном выборе р комплексное число ψ′ ( р ) задает амплитуду того, что частица имеет импульс р .

Существует математическое название для соотношения между функциями ψ и ψ′ . Каждая из этих функций называется преобразованием Фурье другой – в честь французского инженера и математика Жозефа Фурье (1768–1830). Я ограничусь здесь лишь несколькими замечаниями по поводу преобразования Фурье. Первое замечание: между ψ и ψ′ существует замечательная симметрия. Чтобы перейти от ψ  назад к  ψ′ , мы по существу прибегаем к той же процедуре, которую использовали при переходе от ψ  к ψ′ . Теперь ψ′ становится объектом гармонического анализа. «Чистые тона» (т. е. штопоры в пространстве импульсов) на этот раз называются конфигурационными состояниями. Каждое положение х определяет такой «чистый тон» в пространстве импульсов, а величина такого вклада «чистого тона» в ψ дает значение ψ ( x ).

Конфигурационное состояние соответствует (в терминах обычного пространства) некоторой функции ψ , имеющей острый пик в рассматриваемой точке х , а это значит, что все амплитуды равны нулю, за исключением амплитуды в данной точке. Такая функция называется дельта-функцией (Дирака), хотя, строго говоря, это – не совсем «функция» в обычном смысле, так как ее значение в точке х бесконечно велико. Аналогичным образом импульсные состояния (винтовые линии в конфигурационном пространстве) порождают дельта-функции в пространстве импульсов (рис. 6.12). Таким образом, оказывается, что преобразование Фурье винтовой линии есть дельта-функция и наоборот!

Рис. 6.12.Дельта-функция в конфигурационном пространстве переходит в штопор в импульсном пространстве и наоборот

Описание в терминах конфигурационного пространства полезно всякий раз, когда требуется произвести измерение возможного положения частицы в пространстве, которое сводится к увеличению до классического уровня эффектов различных возможных положений частицы. (Грубо говоря, фотоэлементы и фотографические пластинки осуществляют измерение положения фотонов в пространстве.) Описание на языке импульсного пространства полезно, когда требуется измерить импульс частицы, т. е. увеличить до классического уровня эффекты различных возможных импульсов. (Эффекты отдачи или дифракции на кристаллах могут быть использованы для измерений импульса.) В каждом случае квадрат модуля соответствующей волновой функции ( ψ или ψ′ ) дает искомую вероятность результата производимого измерения.

В заключение этого раздела обратимся еще раз к эксперименту с двумя щелями. Мы узнали, что согласно квантовой механике даже одна частица сама по себе должна обладать волновым поведением. Такая волна описывается волновой функцией ψ . Более всего похожи на волны волновые функции импульсных состояний. В эксперименте с двумя щелями мы рассматривали фотоны с определенной частотой; так что волновая функция фотона состояла из импульсных состояний различных направлений, в которых расстояние между соседними витками штопора – длина волны – было одно и то же на протяжении всей винтовой линии. (Длина волны определяется частотой.)

Волновая функция каждого фотона распространяется первоначально из источника в точке  S и (если мы не следим за прохождением фотона через щели) проходит к экрану через обе щели. Однако только небольшая часть волновой функции проходит через щели, поэтому мы можем мысленно рассматривать щели как новые источники, каждый из которых по отдельности испускает волновую функцию. Эти две части волновой функции интерферируют одна с другой так, что когда они доходят до экрана, в одних его точках они суммируются, а в других погашают друг друга. Чтобы выяснить, где волны суммируются и где гасят друг друга, выберем на экране некоторую точку р и рассмотрим прямые, проведенные к точке р от каждой из щелей t u b . Вдоль отрезка tp мы имеем одну винтовую линию, а вдоль отрезка bр – другую винтовую линию. (Мы также имеем винтовые линии вдоль линий st и sb , но если предположить, что источник находится на одном и том же расстоянии от обеих щелей, то на пути к щелям винтовые линии успеют совершить одинаковое число витков.) Число витков, которые винтовые линии совершат к тому моменту, когда они достигнут экран в точке р , зависит от длины отрезков tp и bр . Если эти длины отличаются на целое число длин волн, то в точке р винтовые линии окажутся совмещенными в одном направлении относительно своих осей (т. е. θ = 0°, где θ определено в предыдущем разделе), так что соответствующие амплитуды сложатся и дадут яркоепятно. Если же эти линии отличаются по длине на целое число длин волн плюс половина длины волны, то в точке р винтовые линии окажутся совмещенными в противоположныхнаправлениях относительно своих осей ( θ = 180°), поэтому соответствующие амплитуды погасят друг друга, и мы получим темноепятно. Во всех остальных случаях между смещениями винтовых линий в точке р образуется некоторый угол, поэтому соответствующие амплитуды будут суммироваться некоторым промежуточным образом, и мы получим пятно с промежуточной интенсивностью освещенности (рис. 6.13).

Рис. 6.13.Анализ эксперимента с двумя щелями в терминах штопорообразного представления импульсных состояний фотона