Книга Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

НАШИ КЛАССИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕСТЕ И СКОРОСТИ НЕ ПРИМЕНИМЫ В МИКРОМИРЕ. ПРИРОДА РАБОТАЕТ ПО-ДРУГОМУ.

Тем не менее принцип неопределенности Гейзенберга не является загадкой.

Он – факт.

Строго говоря, он даже не неопределенность. Он просто говорит, что наши классические представления о месте и скорости не применимы в микромире. Природа работает там по-другому, и у нас есть объясняющая и предсказывающая ее теория: квантовая физика. И эти странные эффекты точно достигнут наших масштабов, но мы просто не созданы чувствовать их. Они становятся незначительными, когда в них вовлечено слишком много частиц. И это тоже хорошо известный факт.

Так как же насчет тайны, которую мы ищем? Она существует?

Да.

Мы выпустили кое-что из только что сделанных вами расчетов: происходит коллапс квантовой волны.

Это и есть тайна.

И действительно загадочная.

Оставленные в покое, квантовые частицы ведут себя как размноженные изображения самих себя (фактически в качестве волн), одновременно движущихся по всем возможным маршрутам в пространстве и времени.

Теперь еще раз, почему мы не ощущаем это множество вокруг себя? Потому что мы все время исследуем окружающие нас вещи? Почему все проводимые эксперименты говорят, что положение частицы вдруг заставляет частицу быть где-то скорее, чем везде?

Никто не знает.

Перед экспериментом частица представляет собой волну возможностей. После него она оказывается где-то, а затем где-то навсегда, а не снова везде.

Странно.

Ничто в рамках законов квантовой физики не позволяет случиться такому коллапсу. Это экспериментальная и теоретическая тайна.

Квантовая физика обуславливает, что во всех случаях, когда есть нечто, оно, естественно, может превратиться во что-то другое, но не может исчезнуть. А поскольку квантовая физика позволяет нескольким возможностям существовать одновременно, то эти возможности должны сохраняться даже после произведения расчетов. Но они этого не делают. Все возможности, кроме одной, исчезают. Мы не видим вокруг никаких других. Мы живем в классическом мире, где все основано на квантовых законах, но ничто не напоминает квантовый мир.

Таким образом, возникает вопрос: как мы можем заставить квантовые эффекты проявиться в нашем человеческом масштабе, чтобы мы могли исследовать их и увидеть коллапс волны, если он там действительно есть, собственными глазами? Возможно ли это? И если можно было бы увидеть квантовые эффекты вроде этого, то что мы ожидаем увидеть?

В 1935 году, через два года после присуждения ему Нобелевской премии за работу по квантовой физике, австрийский физик Эрвин Шредингер придумал эксперимент по выведению квантовых эффектов в нашем масштабе. В нем приняли участие кот и коробка. И хотя это был лишь гипотетический эксперимент, ученые не перестают задаваться вопросом, жив ли до сих пор сидящий в коробке кот или умер.

Вы собираетесь снова проделать эксперимент Шредингера. И я надеюсь, что вы не слишком любите милых, мурлычущих, невинных, игривых котят: есть большой шанс, что кот в ходе эксперимента может пострадать. В любом случае имейте в виду, что главная мысль здесь – заставить квантовые эффекты проявиться на макроуровне. Так что жертвы могут быть необходимы.

С такой оговоркой приступим к делу.

Для тех из вас, кто не знает: кот – это четвероногое, как правило, пушистое, хвостатое млекопитающее, живущее в тех же масштабах реальности, что и мы. Большинство людей любят обниматься с ними, но не все. Они бывают практически всех цветов, кроме зеленого, насколько мне известно.

Чтобы осуществить мысленный эксперимент Шредингера, вы решили выбрать очаровательного маленького черно-белого котенка и ищете коробку, настолько плотно закрывающуюся, что впоследствии никто снаружи не сможет ничего узнать о ее содержимом.

Кроме кота и коробки, вам нужно еще радиоактивное вещество, весьма особенное, про которое известно, что с ним с 50 %-ной гарантией произойдет радиоактивный распад во время эксперимента. Радиоактивные материалы очень непредсказуемы. Согласно квантовым законам, нет вообще никакого способа узнать заранее, распадутся ли они и испустят ли смертоносное излучение или нет. Существует лишь вероятность. Один шанс из двух для найденного вами вещества.

Теперь вам потребуется еще три предмета: прибор для регистрации излучения, молоток и флакон со смертельным ядом.

Потом вы соединяете все вместе таким образом, что, если прибор зафиксирует какое-либо излучение, испускаемое радиоактивным веществом, молоток разобьет флакон, и яд разольется. Ничего страшного, если бы не факт, что вы положили все эти вещи: молоток, радиоактивное вещество, яд и кота – в коробку и запечатали крышку.

И потом ждете.

Ну и что дальше?

Существует 50 %-ная вероятность, что кот отравится. Все зависит от радиоактивного распада.

Безумный эксперимент, согласитесь.

Безусловно, проводить его у себя дома не стоит.

И теперь возникает вопрос: мертв ли кот?

Квантовые эффекты действуют здесь, как и хотелось. И результат получается на макроскопическом уровне – достаточно заметным, чтобы его увидеть.

Но, если не открыть коробку, нет никакого способа узнать, произошел ли радиоактивный распад или нет, так что нет никакого способа утверждать, разбит флакон ли или нет, а следовательно, мертв ли кот или жив.

Ничего нового, думаете вы? Что ж, со всеми квантовыми вещами нужно быть бдительным и использовать здравый смысл экономно. Или же не использовать его совсем. Чтобы сделать там, в микромире, какие-нибудь выводы, нужно соблюсти законы квантового мира. В реальной жизни можно ожидать, что кот в коробке будет либо живым, либо мертвым.

Но тогда оба этих ответа были бы неправильными.

В квантовом мире что может случиться – случится. Вам следует использовать это утверждение сейчас.

Здесь распад и отсутствие распада радиоактивного вещества может случиться с равными шансами, так что происходят оба варианта. Подобно тому как частица может перемещаться влево и вправо от твердого столба одновременно, то и радиоактивный распад одновременно происходит и не происходит, пока никто не наблюдает. Как говорилось выше, большую часть времени такая суперпозиция возможностей остается нами незамеченной, потому что по какой-то неясной причине она не происходит – или не достигает наших масштабов. Однако в нашем особом эксперименте настройки произведены так, что наши глаза могут ее видеть: одновременность двух квантовых возможностей (распада и отсутствия распада) напрямую связана либо с драматической смертью, либо с выживанием кота.

Так что же гласят законы квантового мира?

Они гласят следующее: при событиях распада и отсутствия распада, непосредственно связанных с ядом, кот, до тех пор пока коробка не открыта, не может считаться ни живым, ни мертвым, а находится в обоих состояниях одновременно.