Довид Ласерна - На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

Шрёдингер отметил странную природу «квантовой запутанности», характерной для квантовых состояний, являющихся суперпозицией состояний двух систем. Гейзенберг уже давно утверждал, что поведение электронов и атомов не имеет ничего общего с нашим повседневным опытом. И это заявление сразу делало все вокруг зыбким и призрачным. Как же так? Ведь наше тело состоит из органов, органы — из тканей, ткани — из клеток, клетки — из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядер и электронов... Классический и квантовый миры едины и в то же время работают по разным законам? Теория, которая не может представить привычные для нас объекты с перспективы элементарной частицы, априори является неполной. Полная теория описывает мир с точки зрения как классической механики, так и странных квантовых переходов.

Чтобы продемонстрировать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим, Эрвин Шрёдингер взял кота и поместил его в крайне рискованную ситуацию.

Шрёдингер представил обществу знаменитый мысленный эксперимент в длинной статье, опубликованной в 1935 году в журнале Die Naturwissenschaften {«Естественные науки») под названием «Текущая ситуация в квантовой механике». Ученый тщательно изложил теорию, используя живой и непринужденный стиль. В своих рассуждениях он обратил внимание на одну из характеристик квантовой теории, беспокоившую его больше всего, и представил ее в ироничной ситуации, в которой квантовые эффекты должны были проявляться в макроскопических декорациях. В результате мысленного эксперимента он смог сформулировать собственный список вероятностей, и при первом же взгляде на него несовершенство теории становилось очевидным. Предупреждаем: эксперимент придется не по вкусу защитникам животных.

«Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях».

Кот помещен в ловушку квантовой неопределенности. После того как стальная камера заперта, функция ψ изменяется, объединяя в себе все возможности. Она не склоняется ни к какой из альтернатив: и живой, и мертвый кот существуют в вероятностном мире.

Длина волны квантового участника опыта — ядра радиоактивного атома, который может распасться или не распасться, — уносит кота в свой абстрактный мир. До того как мы совершим измерение (в нашем случае — откроем камеру и проверим, что происходит с котом), в суперпозиции сочетаются два варианта (см. рисунок). Кот одновременно мертв и жив. Эйнштейн поддержал Шрёдингера: «Функция ψ, в которой кот скорее жив, чем мертв, не может считаться аутентичным описанием состояния».

Многомировая интерпретация считается «самым оригинальным описанием реальности из когда-либо предложенных». Ее сформулировал в 1954 году американский физик Хью Эверетт. Позднее он развил эту тему в своей диссертации на соискание докторской степени в Принстоне. В этом представлении волновая функция никогда не коллапсирует, поскольку нет необходимости в выборе одного из пунктов списка. Все эти пункты существуют одновременно, каждый в своем мире. В одном мире кот жив, а в другом его отравила синильная кислота. При осуществлении каждого возможного выбора реальность меняется. Система с бесконечным количеством состояний влечет существование бесконечного количества миров в одной Вселенной, и в каждом из них существует наблюдатель и один из вариантов. Согласитесь, эта идея одновременно и захватывает, и пугает. Джон Уилер, американский физик-теоретик и один из приверженцев многомировой интерпретации, в конце концов отказался от нее ввиду повышенной «метафизической тяжеловесности». Летом 1952 года Шрёдингер провел семинар в Дублине, во время которого он произнес слова, казалось, предвосхитившие формулировку Эверетта:

«Часто теоретики квантовой механики ссылаются на вероятность того, что тот или иной вариант (...) существует среди множества альтернатив. Идея о том, что варианты не будут альтернативами, но будут выступать одновременно, кажется им бессмысленной, просто-напросто невозможной».

Шрёдингер не тратил время на то чтобы развить это положение, которое он, скорее всего, выдвинул для того, чтобы прощупать научную ситуацию. Собственно развитие этой мысли ставит новые вопросы, в частности с помощью каких опытов мы можем доказать существование — или отсутствие — лабиринта бесконечных вселенных, независимых от нашей?

Шрёдингер предложил этот эксперимент, чтобы выявить недостатки установившейся версии квантовой механики. Он имел четкую цель, но парадокс получил неожиданное разрешение. Микроскопическое не может быть отделено от макроскопического, как если бы они были разделены непроницаемым барьером. Эксперимент не противоречит квантовой суперпозиции; он просто вводит эту суперпозицию в нашу жизнь.

В лабораториях были реализованы десятки экспериментов, напоминающих о коте Шрёдингера (ни одно животное при этом не пострадало). В них участвовали серии все более сложных структур в состоянии суперпозиции. В 1999 году это были молекулы 60 атомов углерода; в следующем году — токи в сверхпроводниках, наконец в 2011 году — молекулы, состоящие из 430 атомов, большие, чем молекула инсулина.

В 2010 году созданный человеком механизм впервые ослушался классических законов, чтобы подчиниться квантовым: метроном волосяной толщины (таким образом, видимый) оказался способен колебаться одновременно с большей и меньшей частотой. Эксперимент проходил при температуре, близкой к абсолютному нулю. В 2009 году немецко-испанская группа ученых предложила провести опыт, максимально приближенный к пресловутому коту, используя вместо теплокровного животного вирус табачной мозаики. Конечно, в этом кто-то увидит ересь, но Шрёдингер оценил бы этот союз биологии и физики.