Валентин Ирхин - Крылья Феникса; Введение в квантовую мифофизику

Критическая позиция, занятая Эйнштейном и Шредингером, оставалась в рамках западной рационалистической традиции и не была столь радикальной, как только что приведенные мистические спекуляции. Но даже конструктивность этой, в действительности строго научной, позиции физическое сообщество осознало далеко не сразу.

На самом деле, если следовать недавней биографии Эйнштейна, написанной Пайсом, Эйнштейн мог бы после 1925 г. заниматься рыбалкой. Действительно, он не добился крупных достижений, хотя его проницательная критика [квантовой механики] была чрезвычайно полезной.

(Р. Пенроуз, в кн.: С. Хокинг, Р. Пенроуз. Природа пространства и времени)

Пытаясь доказать неполноту или ошибочность копенгагенской интерпретации, Эйнштейн и Шредингер предложили знаменитые мысленные эксперименты, известные как парадокс Эйнштейна- Подольского-Розена (ЭПР) и парадокс шредингеровской кошки соответственно, которые чрезвычайно способствовали если не прояснению ситуации, то во всяком случае осознанию ее глубочайшей нетривиальности. Подчеркнем, что речь идет о парадоксах не в смысле внутренних логических противоречий (таких противоречий в копенгагенской интерпретации по-видимому нет), а в смысле несовместимости ее выводов со здравым смыслом. Парадокс ЭПР затрагивает удивительное свойство квантовой реальности - ее существенную нелокальность. Он будет рассмотрен в следующем разделе.

Перейдем к рассмотрению парадокса шредингеровской кошки. Этот парадокс призван продемонстрировать, что копенгагенская интерпретация в действительности ставит под сомнение существование детерминизма не только для микрообъектов, но даже и для макрообъектов. Учитывая ту роль, которую принцип дополнительности отводит существованию классических приборов, последнее действительно затрагивает самые основы этой интерпретации.

Рассматривается следующая мысленная ситуация. В герметически закрытый ящик поместили кошку (со всеми системами жизнеобеспечения, запасом пищи и т. д.). В том же ящике находится жуткое устройство: ампула с синильной кислотой и молоточек, способный ее разбить под действием электрического сигнала. Сигнал возникает при срабатывании счетчика Гейгера на один радиоактивный распад (технически это возможно), и тут же поблизости есть ядро радиоактивного изотопа. Согласно квантовой механике, никто не может сказать, когда именно распадется ядро. Оно находится в квантовом состоянии, которое, как говорят, является суперпозицией (наложением) состояний распавшегося и не распавшегося ядра. Тем самым, никто не может сказать (пока не вскроет ящик), жива кошка или нет. По всем законам квантовой физики она находится в суперпозиции состояний живой и мертвой кошки. Значит, если верна стандартная интерпретация квантовой механики, бегло изложенная выше, кошка является живой и мертвой одновременно. В заостренной форме этот мысленный эксперимент призван показать следующее: для любого макроскопического объекта (в данном случае его примером является кошка) можно создать такую ситуацию, когда его состояние однозначно определяется состоянием микрообъекта, и если детерминизма нет на микроуровне, его не будет и на макроуровне. Это явно противоречит тому интуитивно очевидному, по Шредингеру, обстоятельству, что мы вправе требовать от науки достоверных предсказаний по крайней мере для макрообъектов.

Для полноты освещения вопроса приведем также дзенскую историю о жестоком обращении с животным (по одному из толкований, описываемым событиям предшествовала дискуссия на тему Имеет ли кошка природу Будды?):

Однажды монахи западного и восточного крыла ссорились из-за кошки. Нансэн поднял кошку и сказал: Слушайте меня, монахи! Если кто-нибудь из вас сможет сказать хотя бы одно слово дзен, я выпущу ее; если нет, я убью ее! Ему никто не ответил, и он убил кошку. К вечеру в монастырь вернулся Дзесю. Узнав от Нансэна о случившимся, он снял туфлю, положил ее себе на голову и ушел. Если бы ты был здесь утром, я бы пощадил кошку! - воскликнул Нансэн.

(Мумонкан)

Этическую сторону этого происшествия раскрывает следующий комментарий:

Подчеркнем еще раз, насколько серьезна затронутая проблема. Согласно принципу дополнительности Бора, само существование квантовой физики возможно лишь в меру существования классических объектов. Задача квантовой механики состоит в том, чтобы описывать движение микрообъектов. Но в каких терминах описывать? В терминах амплитуды вероятности, но амплитуды вероятности чего? Пусть для определенности речь идет об амплитуде вероятности для электрона иметь определенное значение координаты в данный момент времени. Но у электрона нет координаты, так как по своей природе он способен двигаться сразу по всем траекториям (подробнее об этом см. ниже). Чтобы вообще понимать, о чем мы говорим, мы должны постулировать наличие классических объектов - измерительных приборов, которые в определенных условиях с достоверностью определяют координату, импульс и другие классические характеристики. Скажем, при прохождении электронов через экран с отверстиями счетчики, установленные у каждого отверстия, в совокупности представляют собой прибор, измеряющий координату электрона вдоль экрана. Если считать эти счетчики тоже квантовыми объектами, которые то ли сработают, то ли нет в соответствии с вероятностными законами, - все окончательно запутывается, и утверждениям квантовой механики вообще невозможно придать никакого разумного смысла. В то же время мысленный эксперимент Шредингера показывает, что большие размеры и масса прибора еще не гарантируют классичности. Даже макрообъект может быть поставлен в такие условия, которые вроде бы проявляют его квантовую, вероятностную, природу.

Парадокс кошки может быть легко переформулирован в более традиционной для естествознания форме. По существу он эквивалентен вопросу: Применим ли в макромире основной закон квантовой механики - принцип суперпозиции? Вопрос о возможности пребывания кошки в состоянии живой и мертвой кошки одновременно при всей его скандальности ничем не отличается от вопроса, скажем, о природе оптической активности раствора сахара. Явление оптической активности, открытое Л. Пастером и состоящее в способности поворачивать плоскость поляризации световой волны в определенную сторону, есть следствие характернейшей особенности живого вещества - асимметрии правого и левого. Молекулы многих органических соединений не переходят в себя при отражении в зеркале, подобно правой и левой перчатке. Левая и правая формы молекулы имеют строго одинаковую энергию, и если получить сахарозу в результате каких-то реакций синтеза из неорганических компонентов, полученный раствор не будет оптически активным, так как будет содержать в равных долях левые и правые молекулы. С другой стороны, раствор сахарозы органического происхождения (например, полученный из сахарной свеклы или тростника) содержит молекулы только одного типа (как говорят физики, определенной киральности). Аминокислоты, нуклеотиды и другие важнейшие составные части живого вещества также всегда киральны. Происхождение этого свойства до сих пор неясно и представляет собой часть важнейшей проблемы происхождения жизни. Нам здесь важен лишь сам факт существования левой и правой формы некоторых молекул.