Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Если частица находится в состоянии с µ x = µ, магнитный момент получится ±µ с той же вероятностью, и поэтому среднее значение большого числа мер будет равно нулю. Это то же самое из средних измерений, которые можно выполнить с магнитным моментом в состоянии µ x = –µ. Чтобы понять значение этого свойства в рамках квантовой механики, утверждается, что состояние µ y = µ на самом деле представляет собой смесь состояний, имеющих µ x = + µ и µ x = –µ.

Результат, предсказываемый классической физикой: непрерывная линия.

8. Принцип опыта Штерна – Герлаха. Атомы серебра проходят через вертикально направленное неоднородное магнитное поле. Согласно классической физике, пучок частиц с непрерывным распределением магнитного момента должен расходиться конусом. Опыт же показывает, что он делится на две компоненты

Концепция «смешения состояний» очень хорошо описывает реальность в масштабе атомного мира. Интересно попробовать распространить ее действие на мир макроскопический. Один из примеров привел Шрёдингер. Он заметил, что, подобно тому как магнитный момент в рамках квантовой механики может принимать два различных значения, так и обычный кот при расширении последней до масштаба комнаты может находиться в двух состояниях: быть и живым и мертвым одновременно (илл. 9)! Если мы открываем дверь в комнату, мы с равной вероятностью 1/ 2можем обнаружить как мертвого, так и живого кота, но пока дверь закрыта, кот одновременно и жив и мертв (см. врезку).

9. В мысленном эксперименте Шрёдингер представил себе кота, запертого в герметичной коробке. Устройство, принцип действия которого основан на случайном распаде радиоактивного атома, может разбить колбочку с ядом. По истечении заданного времени вероятность распада атома составляет 1/ 2. До тех пор пока наблюдатель не откроет коробку, квантовая механика утверждает, что атом одновременно и распался и не распался, следовательно, и кот теоретически и жив и мертв

«Это же абсурдно! – может решить читатель. – На самом деле кот либо жив, либо мертв и до открытия двери, неважно, знаем ли мы его состояние». Такое понимание рассматриваемой ситуации базируется на иной, некогда существовавшей интерпретации квантовой механики, основанной на понятии скрытого параметра. Согласно этой концепции, описание мира является детерминистичным, однако некоторые параметры, необходимые для его реализации, оказываются нам недоступными. Современная наука опровергает эту концепцию. Но все же индетерминизм квантовой физики порождает парадоксы, которые интуитивно сложно принять. Опишем один из них.

Сомнения в детерминизме физики микромира стали появляться еще с 1924 года, когда Луи де Бройль предложил идею корпускулярно-волнового дуализма, а три года спустя Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер доказали ее опытным путем. В результате этих открытий Нильс Бор и Вернер Гейзенберг пришли к выводам, ниспровергающим классические представления о детерминизме в применении к квантовому миру, а Эрвин Шрёдингер придумал шутку об одновременно живом и мертвом коте. В 2015 году коту Шрёдингера исполнилось 80 лет! Тем не менее, старея, он становится все более живым. Совсем недавно благодаря усилиям ученых он материализовался из области абстрактных рассуждений и стал реальностью. Конечно, это не настоящий кот, а крошечный объект, который только в шутку называют «котом Шрёдингера». Под этим названием сегодня подразумевают любой относительно макроскопический объект, приведенный в состояние квантовой суперпозиции. Этот котенок (представляющий собой лишь несколько атомов) косвенно стал одним из лауреатов Нобелевской премии по физике, присужденной в 2012 году Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду.

В 1935 году Эйнштейн и его коллеги Борис Подольский и Натан Розен предложили парадокс, который впоследствии стал темой для многих научных работ (некоторые публикуются и в наши дни). Они рассмотрели ситуацию, которую сегодня называют квантовой «запутанностью» (по-английски – entanglement ). Здесь задействован уже не один объект, как в парадоксе Шрёдингера, а два. Например, возьмем кота и собаку, хотя оригинальная формулировка парадокса их и не предполагала. Предположим, что одно из животных мертво (какое – неизвестно), а другое живо. Состояние, в котором жив кот, а собака мертва, обозначим |+−>, а состояние, в котором кот мертв, а собака жива, запишем как |−+>. В случае если эти два состояния смешаны, говорят, что они запутаны. Запутанное состояние представлено обозначением Пока кот и собака находятся в двух отдельных закрытых камерах (звуконепроницаемых и т. д.), неясно, кто из них жив, а кто мертв. Но если мы откроем камеру с котом и обнаружим его мертвым, то узнаем, что собака жива, а если мы обнаружим живого кота, будем знать, что мертва собака: оба наблюдения коррелируют. Отметим, что эта корреляция сохраняется при разделении животных, в двух камерах, расположенных и на расстоянии 1000 км друг от друга. Чтобы узнать, жива ли собака, находящаяся за 1000 км, достаточно открыть камеру с котом. Таким образом, мы получаем информацию мгновенно, хотя никакой сигнал не может распространяться быстрее скорости света! Можно даже подумать, что открытие камеры с котом, которого мы обнаружим живым, мгновенно, на расстоянии, вызовет смерть собаки, которая до сих пор была только «полумертвой». Конечно, невозможно предугадать исход открытия камеры, потому что мы найдем кота живым или мертвым с одной и той же вероятностью 1/ 2 , равно как и собаку; однако мы понимаем, что Эйнштейн, Подольский и Розен были озадачены. В конце статьи они высказали мнение о необходимости разработки новой квантовой механики. Она могла бы быть основана на предположении о существовании скрытых параметров, то есть параметров, недоступных для экспериментальной верификации и не входящих в теории Шрёдингера и Гейзенберга.

ЭПР-парадокс оспаривали многие исследователи, в том числе и Бор. Другие выдающиеся ученые, в том числе Луи де Бройль и Дэвид Бом, подобно Эйнштейну, предпочли бы восстановить детерминизм. Дискуссия длилась долго и носила философский оттенок. В 1964 году Джон Белл смог сделать ее более конкретной и показал, что детерминистическая физика, даже со скрытым детерминизмом, должна включать в себя некоторые доступные измерению неравенства, которые противоречат обычной форме квантовой механики.