Книга На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы - Давид Бланко Ласерна

На протяжении совместной жизни Эрвин и Аннемари повстречали на своем пути многих людей, но к ее концу оказалось, что главными действующими лицами друг для друга были они сами. Теперь, расставаясь даже ненадолго, супруги обменивались любовными письмами, которые были очень похожи на те, что они писали в молодости, в самом начале отношений. Шрёдингер — любитель парадоксов, авантюрист и консерватор, завершил карьеру Дон Жуана ухаживаниями за собственной женой.

В первую неделю января 1961 года его сердце и его легкие начали отказывать. Шрёдингер не хотел умирать в больнице. Он говорил: «Я родился в своем доме и там умру, даже если от этого моя жизнь будет короче». Его последние слова были обращены к супруге: «Аннемари, любовь моя, останься со мной, пока я не умру».

На краю реальности

Мы проделали долгий путь и за это время отвергли некоторые модели атома (представляющие собой Солнечную систему в миниатюре), чтобы заменить их более совершенными (электронные облака и орбитали). Нам осталось преодолеть последний этап. «Видя» электроны, которые занимали орбитали s, р или d, мы предполагаем, что знаем заранее, каково энергетическое состояние атома. Речь идет о мысленном построении, ведь в лаборатории перед началом опыта исследователь не знает, возбужден электрон или находится в своем фундаментальном состоянии.

Возьмем атом водорода с одиноким электроном. В его распоряжении находятся все орбитали, как если бы он был постояльцем отеля с бесконечным множеством свободных номеров. Волновая функция скажет нам о вероятности зафиксировать частицу в какой-то точке пространства, в фундаментальном состоянии и с минимальной энергией Е1; волновая функция ψ2 покажет вероятность найти его в состоянии энергии Е2 и так далее. Но прежде чем зафиксировать излучаемую им энергию и переход между уровнями, как мы узнаем, в какую энергетическую комнату он вернулся? Вероятность того, что он находится в какой-то точке (какой бы ни была его энергия), можно представить более сложной волновой функцией, получаемой при сложении функций, описывающих каждое отдельное состояние. С технической точки зрения сложение функций Ψа и Vb образует новую функцию, которая также является решением уравнения Шрёдингера. Как следствие, в случае с атомом водорода мы можем включить все состояния:

Ψ = a1Ψ1 + а2Ψ2 + а3Ψ3 + а4Ψ4 + а5Ψ5 + ... +аnΨn

Функция ψ, которую мы получили, нанизывая друг на друга решения для каждого конкретного уровня, является решением уравнения Шрёдингера, которое предполагает все энергетические состояния. Чему соответствует это сложение в физическом смысле? Это электрон перед измерением; в этот момент он характеризуется таким свойством, как наложение состояний (суперпозиция). По отношению к различным возможностям ψ всегда предпочитает соединительный союз «и» разъединительному союзу «или», таким образом, электрон одновременно находится во всех состояниях и ни в одном из них. Мы имеем дело с соединением в один момент времени всех возможных состояний. Шрёдингер говорил о функции ψ как о списке ожиданий. Функция показывает все возможные состояния и определяет, какова вероятность того, что при произведенном измерении каждое из них воплотится.

Экспериментальный результат, полученный ученым, выражается в конкретном измерении, частном положении электрона, длине волны спектральной линии, определенной интенсивности. В принципе, никто не наблюдает за фантасмагорическим наложением состояний, поскольку не существует множества одновременно дрожащих точек на экране детектора, как и различных размытых линий. Закономерно возникает вопрос: что именно определяет состояние, которое может быть материализовано при измерении? Чтобы отделить список ожиданий, предлагаемый функцией ψ для каждого наблюдаемого объекта и полученного конечного результата, была введена концепция коллапса волновой функции. Речь идет о мгновенной, если так можно выразиться, кристаллизации функции, когда исчезают все возможности списка за исключением одной (откуда термин «коллапс») — той, которая и регистрируется. Уравнение Шрёдингера не говорит нам, когда происходит это мгновенное изменение, и не описывает его. Конечное состояние должно вполне соответствовать естественному положению вещей, поскольку решение в пользу одной из возможностей случайно принимает сама природа (см. рисунок).

Коллапс волновой функции ставит очень много вопросов, для разрешения которых предлагается исходить из противоположных положений. Довольно долго наиболее распространена была копенгагенская интерпретация, основные черты которой были сформированы в ходе дискуссии между Гейзенбергом и Бором, хотя ученые так и не пришли к полному согласию.

В общих чертах эта интерпретация защищает прагматическую точку зрения, лишенную излишнего философствования. Она довольствуется тем фактом, что теория работает, потому что осуществляются все ее прогнозы. Поскольку квантовая механика работает и позволяет нам конструировать микросхемы и сверхпроводники, зачем требовать от нее обязательного соответствия рациональным ожиданиям, следующим из нашего видения макроскопического мира? Гейзенберг предостерегал:

«Если несмотря ни на что мы хотим провести математические расчеты для наглядного описания феноменов, необходимо ограничиться неполными моделями, например моделями волны или частицы». Копенгагенская интерпретация десятилетиями использовалась при преподавании квантовой механики, акцент в ней был сделан на овладении уравнениями, а все метафизические рассуждения учебники по возможности оставляли в стороне.

Наблюдения нарушают не только то, что было измерено, но и то, что они производят.

Замечание немецкого физика Паскуаля Йордана о процессе измерения в квантовой механике

Теория заканчивается в тот момент, когда она представляет список ожиданий; на этом описание завершается. Использование нематематических доводов для объяснения того, что не охватывают уравнения, не помогает. Перед измерением есть только функция ψ, «сущность», принадлежащая абстрактному, но не физическому пространству. По завершении измерений из мира абстракций внезапно материализуются конкретные значения частоты v или положения х . Известные свойства какой-либо частицы могут быть лишь вероятностным наброском, не имеющим никакого смысла до того момента, пока кто-то не решит этот смысл определить. Как говорил физик Джон Арчибальд Уилер, один из великих теоретиков второй половины XX века, «никакой квантовый феномен не является феноменом, пока он не является наблюдаемым (регистрируемым) феноменом». Мы понимаем, что наблюдение вызывает коллапс волновой функции вокруг определенного значения, но в результате в определенной точке пространства и в определенный момент времени появляется электрон.