Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

всем соглашаемся, но почти всегда я прихожу к заключению, что он приводит веские доводы. Самые интересные наши «дебаты», как правило, проходят в барах, где мы проводим вечера, когда ездим в командировки на конференции по ядерной физике. (Физики-теоретики частенько выбирают бары для таких глубоких дискуссий, так как они лишены «удовольствия» всю ночь напролет сидеть в лабораториях, как физики-экспериментаторы.) В ответ на критику точки зрения о том, что ничто не существует до проведения измерений (и коллапса соответствующей волновой функции), Макинтош обычно заявляет следующее. Само собой, электрон – или атом, или Луна – существует и до измерения. Все объекты, будь они микроскопическими или макроскопическими, обладают множеством определенных параметров (то есть величин, которые не пребывают в суперпозиции более чем одного значения), таких как их масса или электрический заряд. Эти параметры не подвержены неопределенности. Следовательно, тот факт, что до проведения измерений нам приходится полагаться на волновую функцию, не означает, что описываемый ею объект нереален. Конечно же нельзя сказать, что определенные его параметры, такие как его точное положение или энергия, обладают конкретными значениями, однако такова природа квантовых объектов. Нам не стоит отрицать их существование, только потому что мы не можем вообразить, каковы они на самом деле.

Два этапа проблемы измерения

Так что представляет собой измерение? Что мы имеем в виду под «наблюдением»? И в какой момент происходит этот магический переход от волновой функции к реальности? Мы знаем следующее: измерение, прежде всего, должно подразумевать некоторое взаимодействие между измерительным устройством, которое я пока не определил, и квантовой системой. Последняя до этого момента может пребывать в суперпозиции различных состояний, соответствующих различным возможным значениям измеряемой величины. Это взаимодействие неизбежно приведет к запутанному состоянию системы и внешнего измерительного устройства, в результате чего последнее окажется в суперпозиции измерения всех различных возможных значений величины одновременно. И что тогда?

Давайте более внимательно проанализируем настройку интерферометра частиц из прошлой главы. Не забывайте, при входе в устройство волновая функция единственного атома разделится на два компонента, каждый из которых пойдет по одному из двух ответвлений прибора. Хотя я и должен описывать атом с помощью волновой функции, я понимаю, что должно происходить нечто странное, так как на выходе из прибора я вижу реальный сигнал интерференции. Я также знаю, что, если я загляну сквозь окошко в одно из ответвлений интерферометра, чтобы проверить, прошел ли атом по этому маршруту, я увижу лишь половину атомов. Но теперь, само собой, картина интерференции пропадет.

Чтобы упростить понимание, я допущу, что засекаю атом, открывая маленькое окошко в ответвлении и замечая крошечную вспышку, когда свет отражается от пролетающего мимо атома. Что же произойдет, если я решу закрыть глаза? Теперь у меня не будет информации о том, каким путем пошел атом. Означает ли это, что картина интерференции вернется? Это подразумевало бы, что физический акт опускания век контролирует исход эксперимента. Аргумент не слишком убедителен. Теперь становится очевидным, что измерение все равно происходит, поскольку я открыл окошко и позволил свету проникнуть внутрь и вступить во взаимодействие с атомами. Картина интерференции исчезает вне зависимости от того, открыты ли у меня глаза. Само собой, я мог бы утверждать, что сигнал интерференции в конце все еще остается возможным исходом (на самом деле одним из трех – атом либо был обнаружен в этом ответвлении, либо не был в нем обнаружен и, должно быть, прошел сквозь другое ответвление, либо был и обнаружен – с помощью света, проникающего в окошко, – и не обнаружен одновременно). Третий из вариантов представляет собой состояние кота Шрёдингера (который жив и мертв одновременно) и приводит к регистрации интерференции интерферометром. Конечно, открыв глаза, я не могу увидеть этот вариант, и сторонники идеи о сознательном наблюдателе утверждают, что именно то, вижу я атом или не вижу, в итоге устраняет вариант, который приводит к возникновению интерференции.

Проблема становится яснее, когда мы устанавливаем возле окошка в ответвлении интерферометра инструмент, который фиксирует вспышку света при прохождении атома мимо окошка и запоминает ее. Этот инструмент играет ту же роль, что и кот Шрёдингера в коробке. Разве инструмент способен существовать в суперпозиции фиксации и нефиксации вспышки?

В целом мы можем выделить два отдельных вопроса, связанных с проблемой измерения в квантовой механике:

(i) Почему мы не можем увидеть суперпозиции таких макроскопически различимых состояний (к примеру, одновременно живых и мертвых котов или регистрирующие и не регистрирующие сигналы приборы)? В конце концов, когда окошко закрыто, мы видим эффект такой суперпозиции в интерферометре и, конечно, в эксперименте с двумя прорезями. Но там состояния относятся к микроскопической шкале и связаны с поведением отдельных атомов.

(ii) Даже если бы существовал способ избавиться от этих неопределенных состояний кота Шрёдингера до установления наблюдения, разве нам не нужен был бы дальнейший коллапс волновой функции, чтобы устранить все оставшиеся варианты, за исключением того, который мы видим в итоге? Таким образом, кот Шрёдингера мог бы быть жив, мертв или и жив, и мертв одновременно. Устранение последнего варианта не дает нам информации, какая из двух оставшихся возможностей исчезнет, когда мы откроем коробку.

В атомном интерферометре волновая функция атома вынужденно пребывает в суперпозиции следования по обоим ответвлениям одновременно. Но если открыть в одном из ответвлений окошко, чтобы проверить, каким путем она прошла, соответствующий другому ответвлению компонент волновой функции сразу же схлопнется до нуля. Даже не засекая движения в наблюдаемом ответвлении, мы все равно заставляем квантовую реальность стать определенной частицей, которая в таком случае следует по другому ответвлению.

Декогеренция

В 1980-х и 1990-х годах первая часть проблемы прояснилась. Физики наконец поняли, что происходит, когда изначально изолированная квантовая система, такая как отдельный атом, прекрасно чувствующая себя в суперпозиции, становится запутанной с макроскопическим объектом. Как выяснилось, суперпозиция различных состояний, в которой вынужденно оказывается столь сложная система, включающая в себя триллион триллионов атомов, просто не может существовать достаточно долго и очень быстро исчезает, или декогерирует. Можно сказать, что деликатная суперпозиция безвозвратно пропадает среди колоссального числа других возможных суперпозиций, соответствующих различным возможным комбинациям взаимодействий между всеми атомами макроскопической системы. Восстановление оригинальной суперпозиции немного похоже на попытку перетасовать колоду карт таким образом, чтобы все четыре масти оказались отдельно друг от друга, однако осуществить его гораздо более сложно.

Декогеренция представляет собой реальный физический процесс, который постоянно происходит повсеместно. Он запускается, когда квантовая система теряет изоляцию от окружающей макроскопической среды, а ее волновая функция