Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

Пора подробнее рассмотреть несколько направлений, в которых ученые ищут утешения. Но вернемся на землю и вспомним эксперимент с двумя отверстиями, в котором каждый электрон, кажется, «знает», сколько отверстий в этот момент открыто и куда он направляется. Может быть, и здесь дело не обходится без запутанности – пресловутого жуткого дальнодействия? Если пара фотонов, летящих в противоположных направлениях, представляет собой по существу часть единой квантовой системы, то нельзя ли рассматривать всю установку двухщелевого эксперимента и электрон (или все электроны?) как части единой квантовой системы? Быть может, электрон знает, какие отверстия открыты, потому что состояние отверстий тоже является частью состояния электрона. Впрочем, само понятие запутанности было еще неизвестно, когда физики впервые попытались найти утешение в одной из интерпретаций квантовой механики, которая на несколько десятилетий стала общепринятой.

Интерпретация квантовой механики, ставшая на несколько десятилетий определяющей точку зрения физиков, основана на идее волн – и во многом на отходе от оговорки «как если бы». В 1920-х гг. физики уже знали, что квантовый мир можно описать с помощью одного из двух математических методов. Первый из них, нашедший свое выражение в уравнении Шрёдингера, рассматривал волновые взаимодействия. Второй метод, оперировавший исключительно числами в виде таблиц (матрицами), основывался на работах Вернера Гейзенберга и Поля Дирака. Оба метода давали одинаковые ответы, и какой из них использовать – было делом вкуса и личного выбора. Поскольку физики в большинстве своем уже были знакомы с волновыми уравнениями, их в основном и выбирали. Однако в любых квантовых расчетах вычисляется отношение между двумя состояниями системы. При этом системой может быть электрон, эксперимент с двумя отверстиями или (в принципе) вся Вселенная, а также любой промежуточный вариант между электроном и Вселенной. Если у вас имеется набор параметров, описывающих систему в состоянии A, вы можете рассчитать вероятность того, что спустя некоторое время эта система окажется в состоянии B. Но при этом у вас нет никакой информации о том, что происходит между этими двумя моментами.

Архетипический пример – электрон в атоме. В некоторых случаях можно производить расчеты, как если бы (опять эта оговорка) электроны находились на круговых орбитах, соответствующих разным значениям энергии. Если атом излучает энергию в форме света, какой-то электрон исчезает с одной орбиты и появляется на другой, ближе к ядру атома. Если атом поглощает свет, электрон исчезает со своей орбиты и появляется на более удаленной от ядра атома. При этом электрон не движется с одной орбиты на другую. Только что он был здесь – и вот он уже там. Это явление известно как квантовый скачок[7]. По расчетам Шрёдингера, волновая теория должна была объяснить, что происходит в процессе такого скачка, но это не удалось, и исследователь сказал: «Если эти чертовы квантовые прыжки останутся с нами навсегда, я, наверное, пожалею, что вообще связался с квантовой теорией». Что ж, остается только посочувствовать прославленному физику – квантовые скачки никуда не делись и уже не денутся. Матричный подход более честен: он не обещает объяснить нам, что происходит в промежутке между состояниями A и B, но утешает меньше, чем уравнение Шрёдингера.

Нильс Бор

Legion-Media

Такой взгляд на квантовый мир, принятый на протяжении нескольких десятилетий, известен как «копенгагенская интерпретация» (КИ) квантовой механики, поскольку Нильс Бор жил именно в этом городе. Название, придуманное Вернером Гейзенбергом, вызвало серьезное раздражение у Макса Борна: он не входил в группу Бора и не работал в Копенгагене, однако его идея квантовой вероятности стала частью этой интерпретации. Однако в конце 1920-х гг. Нильс Бор доминировал в дискуссиях о квантовой физике, и дело не ограничилось названием. Бор так разнес альтернативную (вполне жизнеспособную) интерпретацию, что ее почти позабыли на два десятилетия. Чуть позже я представлю эту теорию как Утешение 2.

Бор был прагматиком, готовым собрать работающую теорию из обрывков различных идей, не слишком беспокоясь о том, что все это значит. В результате четкой и определенной формулировки КИ у нас просто нет, хотя Бор был весьма близок к тому, чтобы огласить ее на конференции в Комо в 1927 г. – задолго до того, как копенгагенская интерпретация обрела название. Конференция в Комо стала поворотным пунктом в истории физики. Именно на ней физики познакомились с инструментами, необходимыми, чтобы «заткнуться и считать», применяя квантовую механику к решению практических задач с участием атомов и молекул (к примеру, в области химии, лазеров и молекулярной биологии) и не задумываясь о фундаментальной основе и смысле явлений.

Прагматичный подход Бора распространялся и на его интерпретацию. Он говорил, что мы не знаем ничего, кроме результатов экспериментов. А результаты зависят от того, что, собственно, мы хотим измерить, – то есть от вопросов, которые считаем нужным задать квантовому миру природы. Однако эти вопросы окрашены опытом нашего повседневного существования в масштабе, намного превышающем масштаб атомов и других квантовых объектов. Мы можем предположить, что электроны – это частицы, и построить эксперимент для проверки этой гипотезы путем измерения импульса электрона, при этом электрон мы представляем себе в виде крохотного бильярдного шара. Мы проводим измерения, и – ну надо же! – нам это удается, что подтверждает гипотезу о том, что электрон – частица. Но допустим, что одна наша приятельница, считающая, что электрон – волна, подготовила эксперимент по измерению длины этой волны. И – надо же! – это ей удалось, что подтверждает идею о волновой природе электрона.

«Ну и что», – отвечает нам Бор. Из того, что электрон ведет себя, как если бы он был частицей, когда вы ищете частицы, или как если бы он был волной, когда вы ищете волны, отнюдь не следует, что он на самом деле является тем или другим, а тем более – тем и другим одновременно. На что смотрите, то и получаете, а то, на что вы смотрите, зависит от того, что вы решили искать. Согласно КИ, бессмысленно задаваться вопросом, что представляют собой квантовые объекты, такие как электроны и атомы, и что они делают, когда их никто не измеряет – или не смотрит на них, если вам так больше нравится.

Пока все логично, беспокоиться не о чем. Но Бор быстро заводит нас в мутные воды. Именно здесь в дело вступает вероятность. Шрёдингер, предлагая свое волновое уравнение, считал его буквальным описанием электрона (или другого квантового объекта; просто электрон – простейший пример, его удобно использовать в качестве иллюстрации). Для него электрон действительно был волной. Однако, приняв от Шрёдингера эстафетную палочку, Бор устремился в другую сторону: он совместил волновое уравнение Шрёдингера с идеями Макса Борна о квантовой вероятности. Получилась очень странная, даже немного пугающая смесь, которая работала (и работает до сих пор), когда дело касается квантовых расчетов, но стоит перестать о ней думать, как тут же начинает болеть голова. В этой новой картине выведенное Шрёдингером уравнение предлагается рассматривать как «волну вероятности», а шанс обнаружения электрона в конкретной точке определяется «квадратом волновой функции»; для этого уравнение, описывающее волну как таковую, по сути, в каждой точке умножают само на себя. Когда мы измеряем или наблюдаем квантовый объект, волновая функция «схлопывается» в точку, определяемую вероятностями. И хотя одни локации более вероятны, чем другие, в принципе, электрон мог бы появиться в любой точке из тех, на которые распространяется волновая функция. Приведем один очень простой пример, который подчеркнет странность такого поведения.