Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

В моем продолжении этой идеи имеются еще два отпрыска знаменитого кота (считая, что он уцелел), которых я называю котятами Шрёдингера[9]. Эти идентичные кошечки-близняшки – дочери кота Шрёдингера – живут в одинаковых космических капсулах, где у них есть все необходимое для жизни, даже игрушки. Капсулы соединены трубкой, в середине которой располагается ящичек с одним-единственным электроном. Волна этого электрона равномерно заполняет ящичек. В какой-то момент в ящичке опускается перегородка, разделяя его, а также капсулы на две части; каждая из них сообщается с ящичком, содержащим половину волны электрона. После этого капсулы отправляют с одинаковой скоростью в противоположных направлениях, пока они не окажутся на расстоянии пары световых лет друг от друга. В каждой капсуле имеется детектор, регистрирующий наличие электрона. Спустя некоторое время (не обязательно одинаковое в обоих случаях) устройство откроет полуящичек в каждой капсуле. Если там окажется электрон, то взрослая уже кошка умрет. Если нет, останется жить. Но нет никакого разумного наблюдателя, который мог бы понять, что происходит. И что же – обе кошки в результате всех этих действий окажутся в суперпозиции? Теперь представьте, что некий разумный инопланетянин в пролетающем мимо корабле поймает одну из капсул и заглянет внутрь, увидев там кошку, живую или мертвую. Неужели именно в этот момент схлопнется волновая функция в каждой из капсул – и то, что увидит инопланетянин, определит судьбу второй кошки на расстоянии двух световых лет от первой? Да, если верить не такой уж распрекрасной КИ.

А есть ли альтернатива? Их много, хотя они могут показаться столь же нелепыми, как сама КИ. Первой рассмотрим ту из них, что зародилась одновременно с копенгагенской, чуть не была раздавлена Бором во младенчестве, но выжила и продолжает сражаться.

Луи де Бройль пытался разрешить загадку корпускулярно-волнового дуализма иначе. Он не говорил, что такой объект, как электрон, может быть волной либо частицей в зависимости от того, как вы на него смотрите. Он не говорил, что электрон является волной и частицей одновременно. Он предположил, что, возможно, существуют два отдельных объекта – какая-то волна и какая-то частица – и они совместно порождают эффекты, которые мы наблюдаем в экспериментах.

Де Бройль был одним из пионеров идеи волн в квантовой механике. Он первым предположил, что если, как установил Эйнштейн, нечто, ранее считавшееся волной (свет), можно рассматривать также как частицы (фотоны), то и объекты, ранее считавшиеся частицами (электроны), следует рассматривать как волны. Это предположение вскоре было подтверждено экспериментально и привело Шрёдингера к созданию его волнового уравнения. Для де Бройля глубокие размышления над смыслом корпускулярно-волнового дуализма были естественными. Свой вариант решения загадки он предложил на той же конференции в Комо, где Бор изложил основы копенгагенской интерпретации.

Во многих отношениях выдвинутая де Бройлем теория волны-пилота – самый естественный и очевидный способ объяснения корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль предположил, что волна и частица реальны и что волна (названная волной-пилотом) ведет частицу к месту ее назначения, как океанская волна несет сёрфера к берегу. В эксперименте с двумя отверстиями волна-пилот распространяется через оба отверстия и интерферирует сама с собой, формируя узор взаимодействующих волн. Частицы, проходящие через экспериментальную установку, стартуют с чуть разными скоростями или в чуть разных направлениях, поэтому и движутся они в немного разных направлениях, следуя за волнами и формируя интерференционную картину на экране детектора. Мы измеряем свойства частиц, но свойства волны нам недоступны, мы можем лишь догадываться о ее существовании по поведению частиц, скрытому от нас до момента обнаружения. Этот подход стал известен как теория скрытых переменных.

Полезной аналогией для нас может послужить хорошо перетасованная колода карт. Представьте себе колоду настолько крохотных карт, что они подчиняются законам квантовой физики. Поместим колоду рубашкой вверх в микроскопическое устройство, позволяющее открывать карты, переворачивая их по одной. Теории скрытых переменных говорят: когда открывается верхняя карта, ее масть и достоинство выбираются случайным образом из 52 возможных вариантов, имеющихся в колоде. С вероятностью 50/50 вы получите карту красной масти, с вероятностью 1/52 – пятерку треф и т.д. Пока вы не посмотрели на карту, ее достоинство и масть скрыты. Но на самом деле эта карта всегда была именно этой масти и этого достоинства, даже когда вы на нее не смотрели (в этом смысле она не является настоящей переменной!). Открыв первую карту – предположим, это и правда была пятерка треф, – мы в следующий раз имеем нулевую вероятность увидеть пятерку треф, вероятность 26/51 увидеть красную карту и т.д. Сравните это с копенгагенской интерпретацией, которая утверждает, что карта не имеет ни масти, ни достоинства, пока вы на нее не посмотрите. Именно акт просмотра заставляет ее выбрать себе масть и достоинство из доступных вариантов. Но в том и другом случае, если продолжать открывать карты, вы увидите примерно одинаковую случайную последовательность, определяемую вероятностями, – к примеру, вы ни в коем случае не увидите пятерку треф дважды. Эксперимент не делает различий между интерпретациями. А вот в объяснении того, что образует эту последовательность, различие будет огромным.

Луи де Бройль

Legion-Media

Дэвид Линдли проводит аналогию с игроком в гольф, тренирующимся на лужайке с лункой. Он проводит серию ударов по мячу, целясь в одну и ту же лунку, но мячик каждый раз катится с чуть разной скоростью и в чуть ином направлении, потому что техника удара гольфиста неминуемо имеет небольшие вариации, а поверхность лужайки не идеально ровная. В итоге каждый раз мячи катятся в немного ином направлении и преодолевают немного иное расстояние. После того как спортсмен сделал сто ударов, мячи раскатились по лужайке и образовали рисунок, определенный неровностями поверхности. Но конечное положение каждого мяча в принципе можно определить, если знать точную форму поверхности, а также точную скорость и направление начального движения мяча. В этом смысле интерпретация волны-пилота является детерминистской и устраняет элемент случайности, связанный со схлопыванием волновой функции, а заодно и схлопывание волновой функции как таковое. Каждая частица в каждый момент времени обладает вполне определенными свойствами. Просто, как в случае с хорошо перетасованной колодой, мы не узнаем, каковы эти свойства, пока не посмотрим.

Де Бройль на конференции в Комо изложил аргументы, связанные с волной-пилотом, подробно, не ограничившись, как я сейчас, общими рассуждениями. Оглядываясь назад с высоты послезнания, Джон Белл в 1987 г. писал в своей книге «О чем можно и нельзя говорить в квантовой механике» (Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics): «Эта идея представляется такой естественной и простой и позволяет разрешить дилемму волны и частицы таким ясным и простым способом, что для меня огромная загадка, почему все ее так дружно проигнорировали».