Книга Наука Плоского мира - Терри Пратчетт

Одно из направлений современной физики вызывает больше философских вопросов, чем все остальные, вместе взятые. Это квантовая механика. Ньютоновские законы объясняют Вселенную в категориях силы, положения в пространстве и скорости, то есть в интуитивно понятных людям терминах, а кроме того, сулят нам разные занимательные истории. Однако лет сто назад кое-кому стало ясно, что тайный механизм Вселенной имеет и другие, куда менее очевидные слои. В результате такие понятия, как положение в пространстве и скорость, не просто перестали быть фундаментальными, они вообще утратили определенный смысл.

На этом новом уровне объяснения, который предлагает квантовая механика, говорится, что на микроуровне правила действуют случайным образом. Никогда нельзя сказать, случится или нет какое-то событие, может иметь место и то и другое. Пустое пространство становится морем шансов, а время можно брать в долг, а потом возвращать, особенно если делать это достаточно быстро и незаметно для Вселенной. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что если вы знаете, где находится объект, вы никак не можете знать его скорость. Думмингу Тупсу очень повезло, что ему не пришлось объяснять это Аркканцлеру.

Для подробного анализа мира квантовой механики потребовалась бы отдельная книжка, но есть одна тема, которую вполне можно здесь рассмотреть, особенно если применить к ней наши знания о Плоском мире. Это тот самый известный всем и каждому казус кота в коробке. Все квантовые объекты подчиняются уравнению Шредингера, то есть правилу, названному в честь Эрвина Шредингера, который описал эти объекты как «волновые функции», квантовые волны, распространяющиеся в пространстве и времени. Атомы и их субатомные компоненты не являются в полной мере частицами: они еще функции квантовой волны.

Пионеры квантовой механики, чрезмерно озаботившись решением уравнения Шредингера, упустили из виду его смысл. Они быстренько соорудили для квантовых объектов удобную оговорку, получившую название «копенгагенская интерпретация». Последняя означает, что всякий раз, когда вы пытаетесь понаблюдать за квантовой волновой функцией, волна немедленно коллапсирует, представая перед вами в единственном квантовом состоянии. Зато это придает человеческому разуму особый статус, высказывалось даже предположение, что единственный смысл нашей жизни – это наблюдение за Вселенной и, тем самым, поддержание ее бытия. Волшебники Незримого университета назвали бы подобную идею непосредственно вытекающей из здравого смысла.

Однако Шредингер считал ее глупой и, чтобы продемонстрировать это, предложил свой мысленный эксперимент, получивший название «Кот Шредингера». Представьте коробку, закрытую настолько плотно, что ничто, ни единый самый слабый квантовый выброс, не может в нее проникнуть. В коробку помещен радиоактивный атом, который в некий неопределенный момент должен испустить частицу. Там же имеется и детектор, который при обнаружении этой частицы выпустит ядовитый газ. Теперь посадите в коробку кота и закройте крышку. Немного подождите и ответьте на простой вопрос, жив кот или нет?

Если атом расщепился, то кот мертв. А если нет – жив. Но поскольку коробка закрыта, вы не можете заглянуть внутрь. И раз никем не наблюдаемая квантовая система представляет собой волны, законы квантовой механики утверждают, что наш атом находится в «смешанном» состоянии, то есть как бы наполовину распался и наполовину нет. И сам кот, состоящий, между прочим, из множества атомов и являющийся поэтому в каком-то смысле гигантской квантовой системой, тоже должен находиться в смешанном состоянии: наполовину живым и наполовину мертвым. В 1935 году Шредингер отметил, что кошки на самом деле так себя не ведут. Коты – это макросистемы с классической физикой и ее четкими ответами да/нет. С его точки зрения, копенгагенская интерпретация не объясняет и даже не пытается объяснить связь между микроскопической квантовой физикой и макроскопической классической. Копенгагенская интерпретация попросту заменяет сложный и непонятный физический процесс элементарной магией: как только вы взглянете на волну, она коллапсирует.

Все то время, которое физики обсуждают эту животрепещущую проблему, они упорно пытаются вывернуть слова Шредингера про кота наизнанку. «Нет, на самом деле квантовая волна именно такая!» – говорят они. Чтобы доказать свою идею, они провели множество экспериментов, за исключением одного… Да-да, эксперимента с коробкой, ядовитым газом и котом, ни живым ни мертвым. Вместо этого они просто предлагают аналоги на квантовом уровне: электрон вместо кота, положительный спин вместо живого, отрицательный вместо мертвого и коробка с непроницаемыми стенками, сквозь которые можно все наблюдать. Но они делают вид, что совершенно не замечают разницы.

Так что все их дискуссии и эксперименты всего-навсего «враки детям»: они пытаются убедить следующее поколение физиков, что на квантовом уровне системы действительно ведут себя таким идиотским способом. Хорошо хоть, что к котам все это никакого отношения не имеет. Волшебники Незримого университета, знать ничего не знающие ни о каких электронах, но не понаслышке знакомые с котами, никогда не повелись бы на такой дешевый финт. На него не поддалась бы и знаменитая ланкрская ведьма Гита Ягг, чей кот Грибо оказался заперт в коробке (см. историю «Дамы и господа»). Грибо – это такой кот, который с легкостью изловит волка, сожрет его и не подавится, хотя нянюшка Ягг и утверждает, что он «маленький пушистый котеночек». В истории о «Ведьмах за границей» этот котеночек случайно задрал вампира, а наши уважаемые ведьмы никак не могли понять, с чего это местные обыватели так обрадовались.

У Грибо свои методы разборки с квантовыми парадоксами: «Грибо провел в заточении не самые приятные минуты. С формальной точки зрения кот, закрытый в ящике, может быть либо живым, либо мертвым. Но определить это можно, только открыв крышку. Именно это действие, связанное с открыванием ящика, определяет состояние кота, хотя ученые ошибаются – на самом деле состояний у кота может быть три, а именно: Живой, Мертвый и Вне Себя От Бешенства»[32].

Шредингеру наверняка бы это понравилось, поскольку он говорил не о квантовых состояниях, он хотел лишь знать, как они связаны с обычной классической физикой в широком смысле, и прекрасно видел, что копенгагенская интерпретация не в состоянии дать ответ. Так как же в квантовой Муравьиной Стране возникают классические ответы типа «да/нет»? Лучший ответ, который у нас есть, – это так называемая декогеренция, изучавшаяся множеством физиков, среди которых Энтони Леггетт, Ролан Омнес, Серж Арош и Луис Давидович. Если у вас имеется хорошенькая коллекция квантовых волн и вы оставите ее без присмотра, то компоненты волн станут беспорядочными и расплывутся. Иначе говоря, станут тем, что с точки зрения квантовой физики называют действительно классическим объектом, а это означает, что кошки будут вести себя так, как положено кошкам. Эксперименты показывают, что то же самое происходит и тогда, когда в роли детектора выступает квантовый микрообъект: волновая функция фотона может коллапсировать, даже если на нее вообще никто не смотрит, причем в любое время. И в случае квантового кота смерть наступает в тот момент, когда детектор засекает распад атома, без участия какого бы то ни было разума.