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

Копенгагенская интерпретация требует примирения с ограниченностью наших знаний. Все объекты из нашего макроскопического окружения имеют четкую форму и свойства, но этого нельзя требовать от атомных явлений. Мозг на основе наших ощущений создает реальность, но мы не видим, не чувствуем протоны и электроны, мы не можем к ним прикоснуться. Эти частицы не могут стать частью обычной реальности, так как нам не хватает для этого наглядных представлений. Нужно признать, что говоря о частице (точка, не имеющая размеров и обладающая такими свойствами, как электрический заряд или масса), мы будем делать исключительно умозрительные выводы, и это отличается от ситуации, когда объектом нашего внимания является, например, обычный камень. Физика пытается предложить связное описание, без логических противоречий, для широкого диапазона результатов всех известных опытов. В ходе лабораторного опыта нельзя увидеть идеальные мерцающие точки, так что нам приходится довольствоваться мысленным построением, при котором мы на математическом языке описываем фундаментальные концепции. Однако рано или поздно наступает момент, когда изображение концептуального и воображаемого хаоса, который обрел формы макроскопического мира, перестает быть адекватным. Конструкции, используемые для описания атомов, слишком далеки от чувственного опыта. При этом они могут быть вполне обоснованы теоретически и отвечать математическим моделям. Нам нужно ограничиться расчетами и рассматривать любой поиск смысла или любой спор, касающийся истинного понимания реальности, в качестве интеллектуальной игры — насколько увлекательной, настолько и бесплодной.

В ортодоксальной версии квантовой механики ничто не угрожает ее тайнам — они остаются во власти микроскопической области, от которой нас отделяет непреодолимый барьер. И лишь с увеличением размера объектов вновь начинают работать классические законы.

Развитие волновой функции до ее выравнивания при измерении.

Шрёдингера эта интерпретация не удовлетворяла. Эйнштейн тоже был от нее не в восторге: «Думать так логически допустимо, но это настолько противоречит моему научному инстинкту, что я не могу отказаться от поисков более полной концепции».

Многие физики предпочли не заострять внимание на существующей пропасти между выбором возможностей, который отображала волновая функция, не приближаясь ни к одной из них, и конкретным вариантом, материализующимся в момент измерения. Однако в этом случае в состав теории должен был войти и коллапс функции. Само уравнение Шрёдингера необходимо было изменить таким образом, чтобы оно описывало динамику волновой функции во время всего процесса измерения. Чтобы описывать систему в любой момент времени, функция ψ должна очень быстро меняться, пока она не приведет к нужному результату (см. рисунок). Существующее уравнение для этого не подходило — требовалось новое, а его никто не смог предложить.

Шрёдингер отметил странную природу «квантовой запутанности», характерной для квантовых состояний, являющихся суперпозицией состояний двух систем. Гейзенберг уже давно утверждал, что поведение электронов и атомов не имеет ничего общего с нашим повседневным опытом. И это заявление сразу делало все вокруг зыбким и призрачным. Как же так? Ведь наше тело состоит из органов, органы — из тканей, ткани — из клеток, клетки — из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядер и электронов... Классический и квантовый миры едины и в то же время работают по разным законам? Теория, которая не может представить привычные для нас объекты с перспективы элементарной частицы, априори является неполной. Полная теория описывает мир с точки зрения как классической механики, так и странных квантовых переходов.

Чтобы продемонстрировать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим, Эрвин Шрёдингер взял кота и поместил его в крайне рискованную ситуацию.

Кот живой, кот мертвый

Шрёдингер представил обществу знаменитый мысленный эксперимент в длинной статье, опубликованной в 1935 году в журнале Die Naturwissenschaften {«Естественные науки») под названием «Текущая ситуация в квантовой механике». Ученый тщательно изложил теорию, используя живой и непринужденный стиль. В своих рассуждениях он обратил внимание на одну из характеристик квантовой теории, беспокоившую его больше всего, и представил ее в ироничной ситуации, в которой квантовые эффекты должны были проявляться в макроскопических декорациях. В результате мысленного эксперимента он смог сформулировать собственный список вероятностей, и при первом же взгляде на него несовершенство теории становилось очевидным. Предупреждаем: эксперимент придется не по вкусу защитникам животных.

«Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях».

Кот помещен в ловушку квантовой неопределенности. После того как стальная камера заперта, функция ψ изменяется, объединяя в себе все возможности. Она не склоняется ни к какой из альтернатив: и живой, и мертвый кот существуют в вероятностном мире.

Длина волны квантового участника опыта — ядра радиоактивного атома, который может распасться или не распасться, — уносит кота в свой абстрактный мир. До того как мы совершим измерение (в нашем случае — откроем камеру и проверим, что происходит с котом), в суперпозиции сочетаются два варианта (см. рисунок). Кот одновременно мертв и жив. Эйнштейн поддержал Шрёдингера: «Функция ψ, в которой кот скорее жив, чем мертв, не может считаться аутентичным описанием состояния».

Разделяй и властвуй

Многомировая интерпретация считается «самым оригинальным описанием реальности из когда-либо предложенных». Ее сформулировал в 1954 году американский физик Хью Эверетт. Позднее он развил эту тему в своей диссертации на соискание докторской степени в Принстоне. В этом представлении волновая функция никогда не коллапсирует, поскольку нет необходимости в выборе одного из пунктов списка. Все эти пункты существуют одновременно, каждый в своем мире. В одном мире кот жив, а в другом его отравила синильная кислота. При осуществлении каждого возможного выбора реальность меняется. Система с бесконечным количеством состояний влечет существование бесконечного количества миров в одной Вселенной, и в каждом из них существует наблюдатель и один из вариантов. Согласитесь, эта идея одновременно и захватывает, и пугает. Джон Уилер, американский физик-теоретик и один из приверженцев многомировой интерпретации, в конце концов отказался от нее ввиду повышенной «метафизической тяжеловесности». Летом 1952 года Шрёдингер провел семинар в Дублине, во время которого он произнес слова, казалось, предвосхитившие формулировку Эверетта: