Квантовая механика и парадоксы сознания - Александр Петрович Никонов

кристалл бета-бората бария, который обладает интересным свойством: из одного фотона делает два с вдвое меньшими энергиями (вдвое меньшей частотой). Соответственно два фотонных потока расщепляются на четыре. Верхняя пара «лучей» направляется в главный датчик – D0. По нему определяется интерференционная картина либо ее отсутствие. Нижняя пара «лучей» с помощью призмы направляется на полупрозрачные зеркала и от них либо отражается (с вероятностью 50 %), попадая в детекторы D4 и D3, либо проходит насквозь и с помощью обычных зеркал скрещивается на третьем полупрозрачном зеркале, задача которого – «смешать информацию», то есть сделать срабатывание датчиков D1 и D2 «непонятным». В смысле при срабатывании этих датчиков непонятно, откуда в них пришел луч – от нижней щели или от верхней, потому что с равной вероятностью третье полупрозрачное зеркало может как отразить фотон, так и пропустить.

Рис. 15

В чем прикол эксперимента? Кристалл бета-бората дает нам два спутанных ортогонально поляризованных фотона. Фотоны, идущие на главный детектор, называются сигнальными, а идущие в нижнюю часть установки – контрольными.

Из схемы ясно, что если срабатывает детектор D3, значит, фотон прилетел из нижней щели. Если D4 – из верхней. А вот срабатывание D1 и D2 ни о чем не говорит. Видно также, что нижний путь из обоих щелей длиннее верхнего (до главного детектора), то есть вниз сигнал попадает после срабатывания D0. (Физики даже прикинули, на сколько позже – на 8 наносекунд.)

И что же получается? Сначала разделившийся на двух щелях исходный фотон «расчетверяется» на кристалле, затем срабатывает датчик D0 (с него потом снимается информация, был ли этот фотон волной, то есть прошел ли он через обе щели, внеся вклад в интерференционную картинку, либо он как частица пролетел только через одну щель и внес свой вклад в корпускулярную картину – за это различение отвечает специальный электронный счетчик совпадений). А потом, после срабатывания D0, срабатывают датчики контрольных фотонов.

Датчики D1 и D2 специально поставлены, чтобы убрать информацию о том, через какую щель пролетел фотон. То есть мы эту информацию запросто могли бы получить, если бы не ставили всех этих полупрозрачных зеркал, а поставили вместо них просто два датчика D3 и D4. Но схема усложнена специально для уничтожения информации. И когда датчики D1 и D2 срабатывают, это означает, по идее, что мы в этом случае ничего не знаем о пути прохождения фотона, а значит, он имеет право оставаться волной и, стало быть, запутанный с ним фотон чуть ранее шлепнулся о главный датчик D0 интерференционно. Такова была идея.

Так и оказалось! Если информация о пути прохождения фотона после срабатывания датчика D0 стиралась, то ранее, чем это произошло, фотон, еще не зная о том, что информация о нем в будущем сотрется, смело позволял себе остаться волной, словно получал сигнал из будущего о том, как сработают полупрозрачные зеркала – скроют от исследователей информацию о пути прохождения фотона или нет.

Разумеется, это «обратновременное» влияние – иллюзия. На которую и клюют разные корреспонденты. Фактически все происходит так, как и должно происходить, – именно первое попадание в главный датчик и определяет дальнейшую судьбу сцепленного фотона, сдвигая вероятность его фиксации теми или иными нижними датчиками. Вот и все.

Глава 2

Самая волнительная функция

Судьбу квантовой системы определяют два математических выражения: волновая функция и уравнение Шрёдингера. В них и отражается вероятностная природа квантового мира. А также самая великая тайна квантовой вселенной: как и почему происходит коллапс волновой функции (редукция волновой функции в другой терминологии).

Вы уже знаете, что это такое.

Это процесс, при котором размазанный по вселенной квант вдруг неожиданно решает схлопнуться, превратив вероятность своего существования в реальность. Квантовые уравнения определяют только вероятность нахождения того же электрона в том или ином месте, а замер (воздействие) присваивает электрону реальное время и место. В этом и состоит физический смысл волновой функции, которую обозначают греческой буквой «пси» – ψ.

Теперь, немного попривыкнув к вероятностной природе мира, разберемся, что же не так в этом самом коллапсе и почему некоторые физики говорят, что здесь каким-то образом замешано сознание?

Вот электрон до замера. На картинке показана вероятность его обнаружения. Собственно говоря, волновая функция – это волна вероятности обнаружения частицы.

Рис. 16

Все дело в математическом аппарате квантовой физики. В том, что линейные уравнения квантовой механики не предполагают никакого коллапса волновой функции. Согласно математической формалистике, никакой редукции волновой функции происходить просто не может! Понимаю, что каждая формула в научно-популярной книжке, как говорят знающие люди, вдвое сокращает число читателей, поэтому у нас с вами будут тут игрушечные, упрощенные формулы. Формулы как бы понарошку, но в обрамлении совершенно непогрешимой математической логики.

Вернемся к ранее использованному прекрасному примеру. Вот есть у нас два ящика, обитых черным бархатом. И одна красивая, сверкающая, отполированная, белая, словно бильярдный шар из слоновой кости, частица, которая может по результатам эксперимента оказаться только в одном из ящиков. Ну, просто потому что реальные частицы в нашем реальном мире не могут находиться одновременно в двух местах. Это основа физического реализма. Каковой реализм так самоотверженно пытался защитить Эйнштейн (заодно с пристегнутым к нему фатализмом, о чем старик, видимо, не догадывался). Но так и не защитил: микромир оказался в своей основе квантовым, то есть принципиально неопределенным, и лишь на уровне макромира он выглядит привычно-реальным, твердым и надежным.

Но мы помним, что красивая белая бильярдная частица окажется в одном из черных ящиков только после замера, то есть после того, как мы проведем опыт по обнаружению частицы: откроем крышку черной коробки, заглянем туда и увидим в каком-то ящике эдакую красоту. Теперь внимание, уж извините, но задам читателю контрольный вопрос:

– А где была частица до этого?

Вы уже знаете ответ! Квантовая механика как одна из самых доказанных и тысячекратно проверенных областей физики с ее прекрасным математическим формализмом утверждает (и это утверждение доказано эмпирически, то есть экспериментальным путем – опытами по проверке неравенства Белла), что до замера частица не находилась нигде конкретно. Она была «размазана» в пространстве и находилась одновременно в обеих коробках, то есть ее «трепетание» одновременно жило в двух местах. Иными словами, «частица» пребывала в состоянии, именуемом суперпозицией, то есть реальной частицей не была. Слово «суперпозиция» – просто синоним слова «сумма». То есть «частица», еще не будучи настоящей частицей, пребывала в состоянии волны или размазанного в пространстве облачка и ее состояние математически описывалось как сумма всех возможных