В Ирхин - Крылья Феникса; Введение в квантовую мифофизику

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:

Если бы Дзесю был там,

История приняла бы другой оборот.

Он выхватил бы нож,

И Нансэн умолял бы о пощаде.

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.

Согласно законам квантовой механики, существует малая, но ненулевая, вероятность того, что молекула вывернется наизнанку в результате так называемого туннельного эффекта. Для молекул меньших размеров это явление прекрасно известно, в частности, именно на нем основано действие так называемого аммиачного мазера, с которого началась эпоха квантовой электроники. Почему же тогда молекулы сахарозы никогда не переходят из правой формы в левую и не наблюдаются в состоянии суперпозиции правого и левого (раствор таких молекул, конечно, не обладал бы оптической активностью)? Интуитивно различие связано, конечно, с размерами: молекула сахара существенно больше, чем молекула аммиака. Ну и что? Где в законах квантовой механики сказано, что они применимы лишь к достаточно малым объектам? И каков критерий этой малости?

Именно эта проблема лежала в центре знаменитых дискуссий, которые вел Эйнштейн со сторонниками стандартной интерпретации квантовой механики, прежде всего, с Н. Бором и М. Борном (в них участвовали также В. Паули и другие крупнейшие физики):