Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом.

Янус двуликий

Божественный древнеримский пантеон включал два персонажа, ответственных за ход времени: Сатурна (греческий Хронос), пожирающего своих детей в неумолимом беге времени, и двуликого Януса — бога начала и конца, прошлого и будущего, молодости и старости. Образ последнего подходит и на роль современного символа проблемы физического времени с молодым лицом квантовой физики и старческим — классической науки.

Трехуровневая атомная энергетическая система

При небольших временах после начала распада, когда амплитуда еще мала, так как частица в основном локализована внутри распадающейся системы, скорость изменения амплитуды, которая определяет скорость распада, также будет малой. Этот удивительный результат, имеющий чисто квантовую природу, можно сформулировать следующим образом: для обеспечения заметной скорости радиоактивного распада необходимо, чтобы волновая функция частицы за пределами распадающейся системы была достаточно велика. В начальные моменты времени, когда волновая функция частицы локализована в основном внутри распадающейся системы, скорость распада близка к нулю. Наблюдения за частицей во внешней области, дающие отрицательный результат, локализуют частицу внутри распадающейся системы, что понижает скорость распада, составляя суть квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

Мы знаем, что в квантовой реальности результат измерения параметров микрообъекта определяется самим измерительным прибором и процедурой измерения. Таким образом, теория утверждает, что состояние микрочастицы действительно зависит от порядка и частоты измерения ее состояния, — естественно, с точки зрения классической физики это кажется невозможным и парадоксальным. Подобные эффекты изменения вероятности радиоактивного распада в зависимости от частоты контрольных измерений и носят название квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

Здесь вспоминается парадоксальная ситуация с котом Шрёдингера, ведь в квантовом пределе, при непрерывных измерениях состояния радиоактивного изотопа, начальное (нестабильное) состояние как бы «замерзает» и многострадальный кот наконец-то обретает вечную жизнь. Правда, надо признать, что пока еще КЭЗ в распадах нестабильных состояний атомов, ядер и элементарных частиц экспериментально не были обнаружены.

Однако КЭЗ для вероятности переходов между атомными уровнями экспериментально наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть опытов состояла в том, что время жизни уровня В было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния уровня А на уровень В, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы, находившиеся в начальном состоянии А, переводились в состояние С. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода и фиксировалось число атомов основного состояния в определенные моменты времени. При этом наблюдалась удивительная зависимость величины интервалов наблюдения числа атомов в начальном состоянии и вероятности переходов в возбужденное состояние С.

Здесь не совсем понятно, как измерение, при котором, казалось бы, нет никакого взаимодействия между частицей и детектором, может оказать влияние на процесс распада. Для ответа на этот непростой вопрос надо вспомнить, как и почему измерение оказывает влияние на квантовые процессы.

Обратимся к известному мысленному эксперименту с двумя щелями, через которые проходит пучок частиц. Известно, что, если эксперимент ставится так, что в принципе невозможно выяснить, через которую из щелей прошла частица, на экране, расположенном позади щелей, возникает интерференционная картина. Наоборот, если, хотя бы в принципе, это возможно выяснить, интерференции нет. Часто для объяснения причины исчезновения интерференции ограничиваются ссылкой на соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому пространственная локализация частицы неизбежно вызывает появление дополнительной неопределенности ее импульса.

Обобщая, можно постулировать, что первопричиной нарушения когерентности различных квантовых состояний микрочастицы является не сам акт макроскопического наблюдения над ней (измерения), а предшествующие ему микропроцессы, в ходе которых рассматриваемая частица взаимодействует неупругим образом с окружающими частицами, изменяя состояния последних. Такое изменение фактически означает, что микрочастица оставляет след в окружающей среде и в соответствии с известными квантовыми принципами не может более принимать участия в формировании интерференционной картины. Если возникшее изменение микроскопического состояния среды в результате последующих процессов в ней вызывает наблюдаемый макроскопический эффект, мы будем иметь дело с реальным измерением, если нет, макроскопическое измерение не будет иметь места. Однако в обоих случаях первичное микроскопическое неупругое взаимодействие между исследуемой микрочастицей и окружающей средой влияет на частицу аналогично, нарушая когерентность ее различных состояний, так как в обоих случаях при рассеянии частицы в среде остается микроскопический след, помечающий атом, на котором произошло рассеяние.

Разница между случаями, когда измерение произведено и когда оно не произведено, но изменение микроскопического состояния среды имеет место, состоит в следующем. В первом случае мы получаем точную информацию о том, какое изменение в среде произошло и в какое именно состояние редуцировалась волновая функция рассеивающегося нейтрона. Во втором же случае мы такой информации не получаем, но понимаем, что суперпозиция когерентных состояний нейтрона, возникших при рассеянии на разных атомах в среде, за счет неупругих взаимодействий нейтрона с этими атомами превратилась в смесь некогерентных состояний, заведомо неспособных интерферировать друг с другом.

Сказанное снимает многие вопросы при обсуждении проблемы влияния наблюдения на квантовые процессы. На самом деле на эти процессы оказывает влияние не сам акт наблюдения, а реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и частицами окружающей среды, нарушающие когерентность состояний частицы, испытавшей такие взаимодействия. Последнее обстоятельство определяет одно из главных отличий квантовой физики от классической: в классической физике предполагается возможным неограниченное уменьшение силы взаимодействия между физическими системами, что позволяет, по крайней мере в принципе, получать информацию об исследуемой системе, не возмущая ее. В квантовой физике любое измерение, поскольку оно начинается с микроскопического возбуждения в активной среде измерительного прибора, неизбежно влияет на исследуемый квантовый процесс, нарушая когерентность различных состояний исследуемой микросистемы.