Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

Лесли Бэллентайн из Университета Саймона Фрейзера в Канаде, главный современный сторонник этой идеи, объясняет, что «критика Эйнштейном интерпретации, которую принимают по умолчанию многие физики, была связана с тем, что функция квантового состояния [волновая функция] дает описание не отдельной системы, а, скорее, ансамбля похожих систем». Но эта «интерпретация» на самом деле ничего не интерпретирует. Она просто утверждает, что все, что кажется странным в квантовом мире, может быть объяснено с позиций статистики (иногда это называют статистической интерпретацией). Скорее, это напоминает полицейского на месте преступления, уговаривающего столпившихся зевак: «Нечего здесь смотреть, проходите, пожалуйста».

Имеется в виду статистика, относящаяся к конкретным ансамблям. Но сами ансамбли – совсем не то, что приходит в голову большинству людей при упоминании этого термина. В повседневном языке ансамбль – группа объектов, обладающих общим свойством или работающих вместе, к примеру музыкальный струнный ансамбль. Для специалиста по статистике ансамблем может быть, например, набор из 600 одинаковых игральных кубиков. Если бросить их все одновременно, то по законам вероятности мы можем ожидать, что выпадет около 100 шестерок, около 100 пятерок, примерно по столько же четверок, троек, двоек и единиц. Но можно получить тот же самый статистический результат иным способом: взять одну идеальную игральную кость и бросить ее 600 раз. Тогда можно ожидать, что шестерка выпадет около ста раз, пятерка – тоже около ста раз и т.д. Именно такого рода ансамбли имеют в виду квантовые физики. Емкость, наполненную молекулами газа, нельзя назвать ансамблем, а вот множество одинаковых емкостей с газом, над которыми проводится один и тот же эксперимент, – можно. В идеале вы должны проводить в точности одинаковый эксперимент над одной и той же самой частицей много раз, отслеживая результат каждой из этих «попыток». Это и есть ансамбль. Результаты будут следовать распределению вероятностей в соответствии с правилами, которые разработал Макс Борн.

Осуществить такой эксперимент на практике было бы очень трудно, но дело не в этом. Представьте себе не миллион электронов, одновременно проходящих через установку двухщелевого эксперимента и регистрируемых на другой стороне, а один и тот же электрон, проходящий через установку миллион раз. При этом каждый раз отмечается положение точки, через которую электрон проходит на другой стороне. Принципиальный момент, который очень любят сторонники этой интерпретации, состоит в том, что частицы в данном случае – это всегда реальные частицы в повседневном смысле слова. Волновая функция здесь не приложима к отдельным частицам, поэтому каждый отдельный электрон, к примеру, обладает либо положительным, либо отрицательным спином, но, когда частиц у вас много, вероятность обнаружения каждого варианта при проверке отдельного электрона составляет (при прочих равных условиях) 50/50. Нет никакого корпускулярно-волнового дуализма, нет суперпозиции и нет никаких мертвых-и-живых котов. Конечно, трудно было бы сто или более раз провести эксперимент с использованием одного и того же кота, но если проделать это с сотней котов по очереди, то, согласно ансамблевой интерпретации, половина из них выживет, а половина умрет, но ни один кот не окажется в суперпозиции.

Звучит соблазнительно. Вот он, здравый смысл. Но, как указал Юэн Сквайрз, мы не можем «утверждать, что решили проблемы [интерпретации]. Мы их просто проигнорировали… отдельные системы существуют». Но как это должно работать на практике? Как часто бывает в квантовой теории, во́ды заметно мутнеют при попытке понять, что происходит, когда систему (в данном случае ансамбль) исследуют или когда она каким-то иным образом взаимодействует с внешним миром. Подготовление системы предусматривает некоторое участие случайности, а наблюдение за ней добавляет еще один слой случайности. Мы вновь стоим перед проблемой определения, где заканчивается система и начинается внешний мир (как в случае с запутанностью, которая распространяется на всю Вселенную в интерпретации с декогеренцией). Примером такого взаимодействия с внешним миром, который иногда приводят в поддержку ансамблевой интерпретации, может служить так называемый эксперимент с «чайником под наблюдением».

Ключ к этой идее состоит в том, что, хотя уравнения квантовой физики описывают вероятность обнаружения системы в том или ином состоянии, они ничего не говорят о том, как системы совершают переход из одного состояния в другое. В уравнениях нет ничего, что описывало бы схлопывание волновой функции. И ни один эксперимент ни разу не зафиксировал ни одной волновой функции в процессе схлопывания. Еще в 1954 г. Алан Тьюринг указал, что квантовая система, за которой постоянно «наблюдают», никогда не изменится. Он писал:

Физики по-разному пытаются это объяснить. Вот одна из версий. Представьте себе систему во вполне определенном состоянии с волной вероятности, распространяющейся наружу и постепенно повышающей вероятность обнаружения этой системы в некотором ином состоянии. Если подождать подольше, то – взгляните-ка! – вы, вероятно, сможете увидеть ее в другом состоянии. Но если вы бросите на нее взгляд очень быстро, то у вероятности просто не будет времени на изменения и система останется в том же состоянии. Она не может находиться в промежуточном состоянии, потому что промежуточных состояний не существует. Значит, волне придется начать распространение заново, с той же позиции. Смотрите на систему достаточно часто – и она никогда не изменится. Квантовый «чайник» никогда не закипит, если вы будете все время на него смотреть. Так предсказывал Тьюринг, и его предсказание уже проверено экспериментально.

Все такие эксперименты содержат вариации одной темы. Как правило, «чайник» представляет собой несколько тысяч ионов какого-нибудь элемента, например бериллия, захваченных электрическим и магнитным полями. Ион – это атом, лишенный одного или нескольких электронов и получивший в результате положительный заряд, благодаря чему им легко манипулировать при помощи таких полей. Ионы заранее подготовлены в таком энергетическом состоянии, из которого они «хотят» уйти, опустившись на более низкий энергетический уровень. За состоянием системы можно наблюдать при помощи хитроумной методики с применением лазеров, позволяющей определить, сколько ионов перешло в основное состояние за некоторый промежуток времени.

В одном типичном эксперименте через 128 мс оказалось, что в основное состояние перешла половина ионов. Если лазер «смотрел» на систему через 64 мс после начала, то перешедшими в основное состояние оказывалась лишь четверть ионов. Если же лазер вспыхивал каждые 4 мс и проверял систему 64 раза за 256 мс, то через этот промежуток времени оказывалось, что почти все ионы находятся в своем исходном состоянии. В категориях вероятностей, соответствующих нашей волновой функции, этот отказ «закипать» объясняется тем, что через 4 мс вероятность того, что некий ион уже перешел в основное состояние, составляет всего 0,001%, так что 99,99% ионов должны по-прежнему оставаться на уровне 1. И это верно для каждого интервала в 4 мс. Чем короче интервал между наблюдениями, тем сильнее описанный эффект. Волновые функции никогда не схлопываются, если за ними наблюдают. Тогда почему мы должны считать, что они вообще схлопываются? Бэллентайн утверждает, что они этого и не делают и что описанное выше явление – экспериментальное свидетельство в пользу ансамблевой интерпретации.