Фотографируя красоты звездного неба, мы обычно представляем, что какой-то атом в туманности испустил фотон, он долго путешествовал в пространстве, а в конце пути наткнулся на нашу фотоматрицу. Но это не так. Это совсем не так. Это какой-то странный фокус квантовой механики. В ней, конечно, почти все выглядит очень странно. Давайте поразмышляем как же фотон добрался до нашего фотоаппарата. Для современной науки это совершенно необъяснимая магия. Т.е. мы видим этот фокус, но никто не может понять как этот фокус работает.
Для начала смежный пример. Когда в школе детям объясняют строение атома, то коротко сообщают о каких-то там электронных облаках. Квантовой физикой школьников никто не станет нагружать, поэтому объяснения предельно декларативные.
- Электрон находится в постоянном движении вокруг ядра;
- У электрона отсутствует определенная траектория.
С точки зрения нашего эмпирического опыта эти два утверждения противоречат друг-другу. Как это он движется вокруг ядра, но у него отсутствует траектория? Что говорит по этому поводу квантовая механика? Где и как там этот электрон летает?
Квантовая механика говорит, что нет способа определить где именно находится электрон. Она оперирует только вероятностями - волновыми функциями. Волновая функция - это некое выражение, при помощи которого можно выяснить вероятность обнаружения электрона здесь или в другом месте. А пока его не зафиксировали (пока не произвели наблюдение), он существует везде. В тот самый момент, когда электрон фиксируется, волновая функция "схлопывается". Т.е. электрон начинает "существовать" в конкретной точке пространства. Это копенгагенская интерпритация квантовой механики. Такое толкование когда-то предложили её отцы-основатели Нильс Бор и Вернер Гейзенберг (они работали вместе в Копенгагене).
Именно поэтому не говорят по каким траекториям летает электрон вокруг ядра. Вероятность его нахождения в той или иной точке можно представить в виде некоторого поля (электронное облако). В каждой точке этого поля своя вероятность зафиксировать электрон. Графически это поле изображают примерно так:
К чему это я? Свет подчиняется точно таким же чудесатым законам квантовой физики. Вот у нас есть атом водорода в какой-то далекой галактике. Он поглотил какой-то подвернувшийся фотон и перешел в возбужденное состояние. Но в таком состоянии атом находиться "не любит" и стремится вернуться обратно в менее возбужденное состояние. При этом он испускает фотон. Начинается магия!
В какую сторону он "выстрелит" этим фотоном? Квантовая механика говорит, что нет способа определить в каком именно направлении будет испущен фотон. До тех пор, пока мы не зафиксируем этот фотон, он существует везде в пределах своего поля вероятности. Поле вероятности для него можно изобразить как расходящуюся от атома со скоростью света сферу.
Эта расширяющаяся сфера "пухнет" в космосе миллионы или даже миллиарды лет. И тут мы со своим фотоаппаратом - стоять! Принимаем фотон (производим измерение) и вся эта сфера вероятности (волновая функция) мнгновенно "схлопывается". Как мыльный пузырь, наткнувшийся на иголку. Мгновенно! Не взирая на какую-то там максимальную скорость в природе. Фантастика!
В общем, представлять фотон, летящий к нам по прямой через просторы космоса, неверно. С точки зрения квантовой механики у него нет траектории - его нет в каком-то конкретном месте. Точнее, он есть везде на этой расходящейся сфере вероятностей. И только когда эта странная сфера взаимодействует с матрицей, фотон "появляется" и передает свою энергию электрону, который "запрыгивает" в электронную ловушку пикселя.
Можно возразить. Фотон - это локальное возмущение электромагнитного поля. Волновой пакет. Локальное возмущение! Т.е. определено в пространстве. Но вспомните опыт Юнга. Через какую щель проходит частица, пока мы не предпринимаем попыток это зафиксировать? Через обе щели. Иначе не получилась бы характерная интерференционная картинка на экране. Добавьте еще множество щелей в опыт. Через какую пролетела частица? Через все. Добавьте бесконечно много таких щелей. По какой траектории двигалась частица? По всем возможным.
Темного вам неба!