Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Согласно копенгагенской интерпретации, сам факт наблюдения приведет к 50 %-ной вероятности смерти кота. Вот уж воистину убийственный взгляд! Но и это еще не все: если кот был либо жив, либо мертв до того, как вы открыли коробку, то это должно подтверждаться его прошлой историей. Он либо был отравлен, либо нет. Означает ли это, что акт наблюдения на самом деле определяет прошлое, то есть направлен во времени назад? Возможно, один взгляд не убивает кота, а воссоздает прошлое?

На это можно ответить, что в роли наблюдателя в данном случае выступает не человек, открывающий коробку, а счетчик Гейгера. Если атом распадается и счетчик это регистрирует, то это является актом наблюдения. В ответ вы могли бы заявить: так как мы не знаем, что на самом деле происходит внутри коробки, то и взаимоотношения между котом и счетчиком неважны. Значение имеет только взгляд, который мы бросаем в коробку, так как он вводит в эту историю наблюдателя.

В основе этой задачки лежит парадокс, которого не существовало в классической физике. В квантовой физике троица, состоящая из наблюдателя, измерительного устройства и измеряемого объекта, формирует новую единицу реальности, которая измеряется волновой функцией. Как писал Шрёдингер, их индивидуальные волновые функции «запутаны».[137] В принципе, при рассмотрении этой единицы мы можем учитывать всю Вселенную, так как на нас воздействуют различные ее силы: гравитация Юпитера, солнечная радиация, притяжение гигантской черной дыры в центре Млечного Пути и еще одной – в центре галактики Андромеды, пролетающая за окном птица, плывущие по небу облака, волны, набегающие на берег на пляже в Ипанеме, и т. д. Как эта связанная Вселенная соотносится с актом наблюдения, в котором наблюдатель должен быть отделен от наблюдаемого? Но если наблюдатель и наблюдаемое не разделены, то как понять, где заканчивается одно и начинается другое? Разве это разделение не лежит в основе измерений?

К счастью, большая часть наших измерений такова, что мелкими квантовыми эффектами, возникающими в результате взаимодействия между наблюдателем и его аппаратурой или наблюдателем и остальной Вселенной, можно пренебречь. Их чистое статистическое воздействие гораздо меньше, чем типичные экспериментальные ошибки, возникающие из-за ограниченности измерительных приборов. Поэтому мы вполне можем рассматривать наблюдателя и его устройство как два отдельных объекта, взаимодействующих исключительно в соответствии с классическими физическими законами. Кроме того, так как состояния измерительных приборов одинаковы для разных наблюдателей (мы слышим одни и те же щелчки счетчика Гейгера, видим одни и те же отклонения стрелки или следы в диффузионной камере и т. д.), мы считаем эти состояния не зависящими от факта наблюдения или характеристик наблюдателя. Наши измерения удобным образом сводятся к анализу данных, собранных классическим устройством, которое было разработано для восприятия и усиления сигналов в наблюдаемой системе. Такое описание верно до тех пор, пока мы четко разделяем шкалы измерений, так чтобы измерительное устройство вело себя в соответствии с классическими законами.

Это четкое разделение между наблюдаемым объектом и измерительным прибором, лежащее в основе принципа комплементарности Бора, имело смысл 60 лет назад, когда разница в масштабах действительно была велика. Однако многие современные эксперименты направлены на исследование мезомира – загадочной границы между классическими теориями и квантовой физикой. Размеры объектов мезомира измеряются в миллионных долях сантиметра (примерно такими параметрами обладают бактерии). Мы можем визуализировать отдельные атомы и, более того, манипулировать ими, как в знаменитом эксперименте IBM 1989 года, когда Дон Эйглер с помощью сканирующего туннельного микроскопа составил из 35 атомов аргона логотип компании. Нанотехнологии изучают состав устройств на мезоскопическом уровне и используют квантовые эффекты. Некоторые устройства настолько чувствительны, что могут улавливать колебания нулевой энергии квантовых гармонических осцилляторов, успешно обнаруживая энергию в вакууме. Туманность квантового мира больше не кажется недостатком. Она используется на практике для разработки новых технологий – от безопасных компьютерных систем до ультрачувствительных сенсоров и потенциально новых типов компьютеров.

В результате граница между квантовым и классическим миром утрачивает четкость. Во многих случаях ученые не могут больше прятаться за удобный и прагматичный постулат Бора о разделении квантовой системы и классического измерительного устройства. Они напрямую сталкиваются со странностью квантового мира. Это объясняет, почему сегодня над основами квантовой механики работает куда больше физиков, чем, например, 20 лет назад.[138] Но мы так и не получили ответа на свой вопрос. Является странность квантового мира неизбежной частью Природы, или мы можем что-то с ней сделать? Для нас очень важно ответить на него, ведь, если странность квантовой механики доступна для объяснений, это будет означать дальнейший рост нашего Острова знаний, а если нет, нам придется признать, что значительная часть физической реальности не просто неизвестна нам, а непознаваема в принципе.

Критики задачи о коте Шрёдингера заявляли, что кот – это просто слишком большой объект для того, чтобы изолировать его от всего остального мира и поместить в суперпозицию по отношению к двум состояниям (жизни и смерти). Вся эта идея сама по себе непрактична и потому бессмысленна. На первый взгляд, так и есть. Но как провести четкую границу? Австрийский физик Антон Цайлингер с группой коллег провели несколько потрясающих экспериментов, заставляя все бо́льшие и бо́льшие объекты проходить через препятствия с двумя прорезями, чтобы проверить, будут ли они вызывать интерференционные узоры, как электроны и фотоны.[139] В 1999 году они успешно провели интерференцию фуллеренов – крупных сферических молекул, похожих на футбольные мячи и состоящих из 60 атомов углерода. Недавно они включили в свои опыты крупные органические молекулы и планируют проверить, могут ли вирусы находиться в суперпозиции квантового состояния и интерферировать. По мере увеличения объекта и уменьшения его волны де Бройля становится все сложнее (а также все дороже) изолировать объект от внешнего влияния и поместить его в суперпозицию двух или более квантовых состояний. Если бы всего один фотон вырвался из коробки, отскочив от кота, и если бы мы зафиксировали его движение, мы смогли бы определить, стоит кот или лежит. Всего один фотон мог привести к коллапсу волновой функции кота. Придет день, и ученые, экспериментирующие с квантовой интерференцией, попытаются провести через препятствие с двумя отверстиями бактерию. Как жизнь отреагирует на квантовую суперпозицию? Предполагает ли она классическое состояние материи?