Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

Представьте себе единичный электрон, запертый в ящике. Волна вероятности распространяется так, что равномерно заполняет этот ящик, и это означает, что шансы обнаружить электрон в любой точке внутри ящика абсолютно одинаковы. Разделим ящик пополам перегородкой. Здравый смысл подсказывает нам, что теперь электрон должен оказаться в одной из половин ящика. Но копенгагенская интерпретация (КИ) утверждает, что волна вероятности по-прежнему заполняет обе половины ящика и электрон с равной вероятностью может быть обнаружен по любую сторону от перегородки. Теперь распилим ящик вдоль по центру перегородки и получим два ящика. Один оставим в лаборатории, а второй поместим в ракету и отправим на Марс. Согласно Бору, у нас по-прежнему будут равные шансы – 50/50 – обнаружить электрон в ящике в лаборатории или в таком же ящике на Марсе. Теперь откроем ящик, оставшийся в лаборатории. Мы либо обнаружим в нем электрон, либо нет, но волновая функция в любом случае схлопнется. Если ящик в лаборатории пуст, электрон находится на Марсе; если же электрон обнаружен, то ящик на Марсе пуст. Это не то же самое, что сказать, что наш электрон «всегда находился» либо в той половине ящика, либо в этой: КИ настаивает, что схлопывание происходит только тогда, когда проверяется содержимое ящика в лаборатории. Это суть идеи, стоящей за парадоксом ЭПР и знаменитой загадкой Шрёдингера про кота, живого и мертвого одновременно. Но прежде чем углубиться в эту историю, я хочу посмотреть, как копенгагенская интерпретация объясняет эксперимент с двумя отверстиями.

Согласно КИ, которую преподавали мне в бытность студентом и до сих пор преподают слишком многим как «единственный» способ «понимания» квантовой механики, электрон испускается из некоего источника – электронной пушки – с одной стороны экспериментальной установки как частица. И сразу же растворяется в «волну вероятности», которая распространяется по установке и направляется к экрану детектора с другой ее стороны. Эта волна проходит через все открытые отверстия, интерферируя сама с собой (или нет, как получится), и, дойдя до детектора, отображается как рисунок вероятностей, который распределяется по экрану. В этот момент волна «схлопывается» и вновь превращается в частицу, положение которой на экране определяется случайным образом, но в соответствии с этими вероятностями. Это называется «схлопыванием» (коллапсом) волновой функции: электрон путешествует как волна, но на место прибывает как частица.

Эрвин Шрёдингер

Legion-Media

Волна, однако, несет с собой не только вероятности. Если у квантового объекта есть выбор, в каком состоянии пребывать (к примеру, электрон может обладать положительным или отрицательным спином), оба эти состояния каким-то образом включены в его волновую функцию. Такая ситуация называется «суперпозицией состояний», а состояние, в котором в итоге оказывается квантовый объект в момент его обнаружения или взаимодействия с другим объектом, также определяется в момент схлопывания волновой функции. В 1955 г., читая лекцию в Сент-Эндрюсском университете, Вернер Гейзенберг сказал, что «переход от “возможного” к “действительному” происходит во время акта наблюдения».

Этот метод вполне годится для расчета квантового поведения, словно электроны и подобные им объекты на самом деле поведут себя именно так. В то же время метод порождает множество трудных вопросов. Один из них обнаруживается в так называемом эксперименте «с отложенным выбором», придуманном физиком Джоном Уилером. Начал он с того, что фотоны, которые выстреливаются по одному в эксперименте с двумя отверстиями, все же образуют на экране детектора интерференционную картину. Но, согласно КИ, если поместить между экраном с отверстиями и экраном детектора устройство, которое будет отслеживать, через какое именно отверстие прошел очередной фотон, интерференционная картина исчезнет, демонстрируя тем самым, что каждый фотон действительно прошел только через одно отверстие. Об «отложенном выборе» говорят потому, что мы можем принять решение – наблюдать нам за фотонами или нет – уже после того, как они пройдут сквозь экран с двумя отверстиями. Разумеется, человеческие реакции для этого слишком медленны. Но такие эксперименты были проведены с использованием автоматических устройств, которые включали или выключали мониторы после прохождения фотонами экрана с отверстиями. Эксперименты показывают, что интерференционный рисунок действительно исчезает, когда за фотонами наблюдают, а значит, каждый фотон (или соответствующая волна вероятности) проходит лишь через одно отверстие – притом что решение о наблюдении этого фотона принимается уже после того, как он прошел экран с отверстиями.

Уилер предложил вообразить аналогичный эксперимент в космическом масштабе. Известно явление гравитационного линзирования: свет от далекого объекта, такого как квазар, фокусируется гравитацией промежуточного объекта, скажем галактикой, и обходит эту своеобразную гравитационную линзу двумя (или более) путями. В результате в детекторах здесь, на Земле, появляется двойное изображение объекта. В принципе, вместо получения двух изображений можно было бы смешать свет, прошедший различными путями, и получить интерференционную картину волн, обошедших гравитационную линзу по разным траекториям. Этакая космическая версия эксперимента с двумя отверстиями. Но мы можем наблюдать фотоны прежде, чем они сформируют интерференционную картину, и отследить, каким именно путем они прошли вокруг линзы. Тогда, судя по результатам лабораторных экспериментов, интерференционная картина должна исчезнуть. Допустим, квазар находится от нас на расстоянии 10 млрд световых лет, а галактика, играющая роль гравитационной линзы, – на расстоянии 5 млрд световых лет. Согласно результатам уже известных экспериментов, на то, что эти фотоны делали миллиарды лет назад и за миллиарды световых лет отсюда, воздействует то, что мы решаем измерить здесь и сейчас. Что вообще происходит? Как выразился сам Уилер, «копенгагенская интерпретация велит нам не задавать подобные вопросы»[8]. Не такая уж она, значит, распрекрасная.

Вернер Гейзенберг

Legion-Media

По существу, КИ утверждает, что квантовый объект не обладает неким определенным свойством (никаким свойством), пока он не измерен. Это порождает множество вопросов о том, что представляет собой измерение. Обязательно ли в нем должен участвовать человеческий разум? На месте ли Луна, когда никто на нее не смотрит? Существует ли Вселенная только потому, что человеческие существа достаточно разумны, чтобы заметить это? Или взаимодействие квантового объекта с детектором тоже может считаться измерением? И где именно в промежутке между этими двумя крайностями находится граница между квантовым миром и «классическим» миром старой доброй Ньютоновой физики? Подобными соображениями руководствовался Шрёдингер, предлагая свою знаменитую загадку про кота, запертого в комнате (он использовал немецкое слово, обозначающее «комнату», а не «ящик») с адской машиной, которая может убить кота, но находится в равновероятной (50/50) суперпозиции состояний. Дополняя этот пример, представьте, что детектор в комнате измеряет спин какого-то конкретного электрона. Если он окажется положительным, устройство сработает и кот умрет. Если отрицательным, коту ничего не угрожает. Электрон перед измерением находится в суперпозиции состояний. Но в комнате нет никого, кто мог бы увидеть, что произойдет при включении детектора. Схлопнется волновая функция или нет? Или кот тоже будет находиться в суперпозиции состояний – одновременно и мертв и жив, – пока кто-нибудь не откроет дверь и не заглянет в комнату?