Уолтер Айзексон - Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

В письме Шредингеру Эйнштейн описывает мысленный эксперимент, показывающий, почему все эти дискуссии о волновых функциях и вероятностях, о частицах, у которых нет определенной координаты до тех пор, пока на нее не смотрят, с его точки зрения, не выдерживают испытания на полноту. Представьте себе, говорит он, два ящика, в одном из которых, как мы знаем, есть мяч. Когда мы только готовимся заглянуть в один из ящиков, вероятность 50 %, что мяч мы там обнаружим. После того как мы заглянули в данный ящик, вероятность увидеть там мяч равна либо 100 %, либо нулю. Но в реальности мяч все время был в одном из ящиков. Эйнштейн пишет:

Я описываю положение дел так: с вероятностью 1/2 мяч находится в первом ящике. Является ли это полным описанием? Нет. Полное утверждение состоит в следующем: мяч есть (или его нет) в первом ящике. Так подобная ситуация должна характеризоваться при полном описании. Да, прежде чем я ящики открыл, мяч, вне всякого сомнения, находится в одном из них. То, что он находится в определенном ящике, выясняется только после того, как я поднял крышку 19.

Эйнштейн явно предпочитал отрицательный ответ, что указывает на его приверженность реализму. Он чувствовал, что в положительном ответе, а именно такое объяснение предоставляет квантовая механика, есть нечто незавершенное.

Доводы Эйнштейна основываются на том, что представляется здравым смыслом. Однако бывает, что кажущееся разумным не приводит к правильному описанию природы. Строя теорию относительности, Эйнштейн осознавал это. Тогда, игнорируя общепринятые представления, он заставил нас изменить свой взгляд на природу. Квантовая механика сделала нечто похожее. Она провозгласила, что частица не находится в определенном состоянии, за исключением того момента, когда ее наблюдают. Две частицы могут находиться в перепутанном состоянии, таком, что наблюдение, выполненное над одной из них, мгновенно определяет и свойства другой. Как только наблюдение произведено, система оказывается в определенном состоянии 20.

Эйнштейн никогда не признавал, что это и есть полное описание реальности. Через несколько недель, в начале августа 1935 года, он предложил Шредингеру еще один похожий мысленный эксперимент. В нем обсуждалась ситуация, в которой квантовая механика могла предоставить только вероятности, хотя здравый смысл с очевидностью указывал на то, что стоящая за ней реальность достоверно существует. Представьте себе, говорил Эйнштейн, бочонок с порохом, в котором из-за нестабильности одной из частиц в какой-то момент произойдет взрыв. В применении к этой системе уравнения квантовой механики “описывают своего рода смесь из еще не и уже взорвавшихся систем”. Но это не соответствует “реальному положению дел, – говорит Эйнштейн, – поскольку на самом деле нет промежуточного состояния между уже взорвавшимся и невзорвавшимся бочонком” 21.

Шредингер предложил сходный мысленный эксперимент, чтобы указать на странность, свойственную взаимодействию неопределенности квантового мира с нашим привычным миром больших тел. Он использовал не бочонок с порохом, а ставшее впоследствии знаменитым вымышленное животное семейства кошачьих. “В пространном эссе, которое я только что написал, приводится пример, очень похожий на ваш взрывающийся пороховой бочонок”, – сообщает он Эйнштейну 22.

В этом эссе, опубликованном в ноябре, Шредингер в полной мере отдает должное Эйнштейну и работе ЭПР, которые были “стимулом” для данной дискуссии. Он метил в основополагающую концепцию квантовой механики, а именно в утверждение, что невозможно определить время, когда произойдет испускание частицы из распадающегося ядра до тех пор, пока сам распад не зафиксирован. В квантовом мире ядро существует в “суперпозиции” состояний, что означает: до того как выполнено наблюдение, ядро одновременно существует в состоянии распада и остается стабильным. При наблюдении происходит коллапс волновой функции, и ядро переходит в одно из этих состояний.

Вероятно, такое может происходить в микроскопическом царстве квантов, но оказываешься в тупике, представив себе взаимодействие мира квантов с нашим повседневным миром. Своим мысленным экспериментом Шредингер ставит вопрос: когда система перестает быть суперпозицией обоих состояний и мгновенно перестаивается так, чтобы стать единой реальностью?

Этот вопрос связан с тяжкой судьбой воображаемого создания, которому было предопределено судьбой остаться бессмертным вне зависимости от того, живо оно или нет. Это создание известно как кот Шредингера:

Можно даже представить себе совсем уж комические ситуации. Пусть в стальной камере заперт кот, а кроме того, там же есть такое устройство (оно должно быть защищено от прямых посягательств кота): В счетчике Гейгера имеется очень небольшое количество радиоактивного вещества, столь малое, что за час, возможно, произойдет распад одного атома, но столь же вероятно, что распада не будет. Если распад происходит, трубка счетчика разряжается, реле приводит в действие молоточек, разбивающий вдребезги небольшую ампулу с синильной кислотой. Если в течение часа не трогать эту систему, можно сказать, что кот все еще жив, если за этот час ни один атом не распался. Это может быть описано пси-функцией всей системы, если считать, что в ней смешаны, или размазаны, живой и мертвый коты (простите за подобное выражение) 23.

Эйнштейн был буквально потрясен. “Ваш кот показывает, что мы полностью сходимся в оценке качества современной теории, – написал он в ответ. – Пси-функция, включающая в себя как живого, так и мертвого кота, поистине не может быть использована для описания истинного положения дел” 24.

Происшествие с котом Шредингера вызвало огромное число откликов. Их поток (разной степени вразумительности) не прекращается до сих пор. Достаточно сказать, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики система перестает быть суперпозицией состояний и мгновенно переходит в одно реальное состояние при наблюдении, но четкого определения, что собой представляет наблюдение, нет. Кот может быть наблюдателем? А блоха? А компьютер? А механическое записывающее устройство? Однозначного ответа нет. Однако мы знаем, что обычно квантовых эффектов не наблюдается в нашем повседневном, понятном нам мире, где существуют коты и даже блохи. Поэтому большинство адептов квантовой механики не станут спорить, что сидящий в ящике кот Шредингера каким-то невероятным образом одновременно и жив, и мертв до тех пор, пока крышка ящика не открыта 25.

Эйнштейн не переставал верить, что с помощью кота Шредингера и своего мысленного эксперимента с порохом 1935 года можно показать неполноту квантовой механики. И история не воздала ему должное за то, что он помог этому коту появиться на свет. На самом деле позднее он приписал Шредингеру и тот и другой мысленные эксперименты. В одном из писем он написал, что животное не отравили, а взорвали. “Почему-то современные физики верят, что квантовая механика дает описание реальности, и даже полное ее описание, – написал Эйнштейн Шредингеру в 1950 году. – Однако эта интерпретация была очень изящно опровергнута с помощью вашей системы радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + пороховой заряд + кот в ящике, показывающей, что пси-функция системы содержит как живого кота, так и его же, разорванного на кусочки” 26.