Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

Идея измерения в квантовой механике расплывчата и малопонятна. В связи с этим физики с радостью приняли прагматичный подход, предложенный Бором, который полагал, что измерение включает в себя таинственный процесс, называемый «необратимым актом усиления», который происходит, когда квантовая система взаимодействует с измерительным прибором. Важно отметить, что измерительный прибор в этом случае должен описываться классической физикой, а следовательно, не являться квантовым объектом. Но как, почему и когда происходит этот процесс измерения? Любой измерительный прибор, будь это экран в эксперименте с двумя прорезями, вольтметр, счетчик Гейгера[34], сложный аппарат со множеством рычагов и шкал или даже человек-экспериментатор, состоит из атомов. Так где нам провести черту между квантовой системой, которая подчиняется квантовым законам, и классической системой, выступающей в качестве измерительного прибора?

Кот Шрёдингера

В тот же год, когда Эйнштейн, Подольский и Розен опубликовали свою знаменитую статью, в которой, как они считали, подчеркивалась абсурдность некоторых черт квантовой механики (индетерминизма и нелокальности), Эрвин Шрёдингер тоже не вынес квантовой странности. Он набросился на проблему измерения, предложив один из самых известных мысленных экспериментов во всей физике. Поразительно, сколько физиков запуталось, пытаясь показать или объяснить предполагаемый парадокс, который продемонстрировал Шрёдингер. Многие годы появлялись все новые и новые фантастические решения этой проблемы – как будто квантовая механика и так не была достаточно сложной для понимания.

Шрёдингер спросил, что случится, если мы поместим кота в коробку с устройством, содержащим смертельно опасный яд и ядро радиоактивного атома. Испущенная при распаде ядра частица запустит механизм, который откроет яду доступ в коробку, в результате чего кота настигнет мгновенная смерть. (Защитникам прав животных не стоит волноваться: на самом деле такой эксперимент никогда не проводился, потому что результатов можно достичь – что и было сделано – и без живого кота.)

Момент распада радиоактивного ядра представляет собой одно из тех событий, которые даже теоретически невозможно предсказать с достаточной точностью. Мы можем лишь сказать, что существует определенная вероятность, что конкретное ядро распадется через определенное время. Однако мы также можем сказать, что в тот момент, когда мы закрываем крышку коробки, в которой сидит здоровый кот, ядро точно еще не распалось. С этого момента его описывает квантовая суперпозиция. Следовательно, его волновая функция должна состоять из двух частей, которые описывают и распавшееся, и нераспавшееся ядро. Само собой, вероятность обнаружения ядра в одном из этих состояний со временем меняется. Когда пройдет очень много времени, описывающая нераспавшееся ядро часть волновой функции станет лишь крошечным компонентом, а вероятность обнаружения распавшегося ядра почти достигнет ста процентов, как мы и ожидаем.

Пока что все понятно. Но здесь Шрёдингер последовал букве (квантового) закона. Так как кот тоже состоит из атомов, его также должна описывать волновая функция – конечно, очень сложная, но это не меняет сути. Поскольку судьба кота теперь находится в сильной корреляции с судьбой радиоактивного ядра, мы должны описывать их посредством запутанного состояния. Следовательно, волновая функция кота будет также неизбежно поделена и окажется в суперпозиции двух состояний: одна ее часть будет описывать живого кота, а другая – мертвого!

Позвольте мне еще раз напомнить вам о фокусе с двумя прорезями. Если мы не наблюдаем за атомом, он не проходит сквозь конкретную прорезь – нам следует считать, что он прошел сквозь обе прорези одновременно. Это не просто математический трюк, а единственный способ объяснить вполне реальную картину интерференции, которую мы наблюдаем. Та же проблема возникает и в случае с котом Шрёдингера. Пока мы не откроем коробку, чтобы проверить состояние кота, мы не можем сказать, что он жив или мертв (это равносильно тому, что сказать, что атом проходит сквозь конкретную прорезь), поскольку он пребывает в обоих состояниях одновременно! Конечно, это просто смешно. Кот должен быть либо жив, либо мертв, и мы никак не можем повлиять на это снятием крышки. Разве суть тут не в том, что у нас просто недостаточно знаний о том, что уже произошло (или еще не произошло)? Именно так и утверждал Шрёдингер.

Если вы хотите встать на его сторону, я должен спросить вас, где мы ошибаемся? Почему кот – или, если угодно, «сложный набор квантовых частиц» – тоже вынужден пребывать в суперпозиции из-за того, что его состояние запутано с суперпозицией радиоактивного ядра?

Бор и Гейзенберг не утверждали, что кот на самом деле жив и мертв одновременно. Они настаивали – и с тех пор с этим соглашаются большинство физиков, – что мы не можем говорить о существовании отдельной реальности для кота, пока не откроем коробку и не увидим все своими глазами! Их аргументы сводились к тому, что, пока коробка закрыта, нам вообще нечего сказать о «текущем» состоянии кота. Мы можем довольствоваться лишь его волновой функцией, а это просто набор цифр. Так как мы не можем описать реальность в отсутствие измерений, мы даже не предпринимаем попыток к этому. Только подготовившись к открытию коробки, мы можем воспользоваться волновой функцией, чтобы рассчитать вероятность обнаружения кота живым или мертвым. Многократное повторение этого эксперимента покажет нам, что эти предсказания верны (точно так же, подбросив много раз монетку, мы удостоверимся, что орел и решка выпадают со статистической вероятностью 50/50).

Но что, если поместить в коробку человека-волонтера? Ладно, пусть яд будет не смертельно опасным, достаточно, чтобы он просто вызывал потерю сознания[35]. Конечно же, когда мы откроем коробку, мы не сможем убедить волонтера, что, находясь внутри, он одновременно пребывал и в сознании, и без сознания. Если он в сознании, он сообщит нам, что не почувствовал никакого недомогания, за исключением тревоги. Если же он без сознания, то, придя в себя, он сможет рассказать, что через десять минут после закрытия коробки услышал, как сработало устройство, и тут же почувствовал головокружение. А затем ему к носу уже поднесли нюхательную соль.

Что в этом аргументе не так? Удалось ли Шрёдингеру показать непоследовательность теории? На самом деле квантовая механика рождает более серьезные дилеммы, чем простое утверждение, что до открытия коробки волновая функция кота включает в себя часть живого кота и часть мертвого. Пока мы не заглянем в коробку, мы можем лишь распределить вероятности различных исходов. Из-за суперпозиции различных состояний кота мы получаем определенную вероятность обнаружения его живым, другую вероятность обнаружения его мертвым и – что особенно странно – третью вероятность обнаружения его и живым, и мертвым одновременно. Это объясняется техническим определением квантовой вероятности[36]. Но квантовые законы этого не позволяют. Они гласят, к счастью, достаточно корректно, что мы обнаружим либо живого