Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Мы знаем, что в квантовой реальности результат измерения параметров микрообъекта определяется самим измерительным прибором и процедурой измерения. Таким образом, теория утверждает, что состояние микрочастицы действительно зависит от порядка и частоты измерения ее состояния, — естественно, с точки зрения классической физики это кажется невозможным и парадоксальным. Подобные эффекты изменения вероятности радиоактивного распада в зависимости от частоты контрольных измерений и носят название квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

Здесь вспоминается парадоксальная ситуация с котом Шрёдингера, ведь в квантовом пределе, при непрерывных измерениях состояния радиоактивного изотопа, начальное (нестабильное) состояние как бы «замерзает» и многострадальный кот наконец-то обретает вечную жизнь. Правда, надо признать, что пока еще КЭЗ в распадах нестабильных состояний атомов, ядер и элементарных частиц экспериментально не были обнаружены.

Однако КЭЗ для вероятности переходов между атомными уровнями экспериментально наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть опытов состояла в том, что время жизни уровня В было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния уровня А на уровень В, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы, находившиеся в начальном состоянии А, переводились в состояние С. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода и фиксировалось число атомов основного состояния в определенные моменты времени. При этом наблюдалась удивительная зависимость величины интервалов наблюдения числа атомов в начальном состоянии и вероятности переходов в возбужденное состояние С.

Здесь не совсем понятно, как измерение, при котором, казалось бы, нет никакого взаимодействия между частицей и детектором, может оказать влияние на процесс распада. Для ответа на этот непростой вопрос надо вспомнить, как и почему измерение оказывает влияние на квантовые процессы.

Обратимся к известному мысленному эксперименту с двумя щелями, через которые проходит пучок частиц. Известно, что, если эксперимент ставится так, что в принципе невозможно выяснить, через которую из щелей прошла частица, на экране, расположенном позади щелей, возникает интерференционная картина. Наоборот, если, хотя бы в принципе, это возможно выяснить, интерференции нет. Часто для объяснения причины исчезновения интерференции ограничиваются ссылкой на соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому пространственная локализация частицы неизбежно вызывает появление дополнительной неопределенности ее импульса.

Обобщая, можно постулировать, что первопричиной нарушения когерентности различных квантовых состояний микрочастицы является не сам акт макроскопического наблюдения над ней (измерения), а предшествующие ему микропроцессы, в ходе которых рассматриваемая частица взаимодействует неупругим образом с окружающими частицами, изменяя состояния последних. Такое изменение фактически означает, что микрочастица оставляет след в окружающей среде и в соответствии с известными квантовыми принципами не может более принимать участия в формировании интерференционной картины. Если возникшее изменение микроскопического состояния среды в результате последующих процессов в ней вызывает наблюдаемый макроскопический эффект, мы будем иметь дело с реальным измерением, если нет, макроскопическое измерение не будет иметь места. Однако в обоих случаях первичное микроскопическое неупругое взаимодействие между исследуемой микрочастицей и окружающей средой влияет на частицу аналогично, нарушая когерентность ее различных состояний, так как в обоих случаях при рассеянии частицы в среде остается микроскопический след, помечающий атом, на котором произошло рассеяние.

Разница между случаями, когда измерение произведено и когда оно не произведено, но изменение микроскопического состояния среды имеет место, состоит в следующем. В первом случае мы получаем точную информацию о том, какое изменение в среде произошло и в какое именно состояние редуцировалась волновая функция рассеивающегося нейтрона. Во втором же случае мы такой информации не получаем, но понимаем, что суперпозиция когерентных состояний нейтрона, возникших при рассеянии на разных атомах в среде, за счет неупругих взаимодействий нейтрона с этими атомами превратилась в смесь некогерентных состояний, заведомо неспособных интерферировать друг с другом.

Сказанное снимает многие вопросы при обсуждении проблемы влияния наблюдения на квантовые процессы. На самом деле на эти процессы оказывает влияние не сам акт наблюдения, а реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и частицами окружающей среды, нарушающие когерентность состояний частицы, испытавшей такие взаимодействия. Последнее обстоятельство определяет одно из главных отличий квантовой физики от классической: в классической физике предполагается возможным неограниченное уменьшение силы взаимодействия между физическими системами, что позволяет, по крайней мере в принципе, получать информацию об исследуемой системе, не возмущая ее. В квантовой физике любое измерение, поскольку оно начинается с микроскопического возбуждения в активной среде измерительного прибора, неизбежно влияет на исследуемый квантовый процесс, нарушая когерентность различных состояний исследуемой микросистемы.

Приведенные соображения, однако, еще недостаточны для понимания природы КЭЗ, поскольку реальных неупругих взаимодействий между вылетающей частицей и окружающей средой в условиях возникновения КЭЗ нет. Согласно квантовой теории, микроскопические возбуждения, возникающие в среде при взаимодействии с ней частицы, могут быть как реальными, так и виртуальными. В первом случае состояние среды изменяется необратимым образом, во втором среда возбуждается на короткое время, а затем возбуждение полностью исчезает и среда восстанавливает свое исходное состояние. Виртуальное взаимодействие между микрочастицей и средой ведет к упругому рассеянию частицы в среде. Это рассеяние не разрушает интерференцию, но ведет к уменьшению волновой функции частицы. Так, можно предположить, что виртуальные взаимодействия квантовой частицы с окружающей средой могут оказывать влияние на эффекты, связанные с интерференцией различных квантовых состояний частицы. Этот вывод и позволяет полностью понять природу КЭЗ.