Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

При всей своей феноменальной точности квантовая теория в ее нынешнем виде остается далеко не полной. Она была создана главным образом для того, чтобы объяснить таинственные результаты опытов, но ее математические основания шатки и обрывочны. Есть ли способ сделать их монументальными или же нам все же придется снести это сооружение в пользу чего-то нового?

Квантовая теория – это наша наиболее фундаментальная физическая теория, имеющая на своем счету множество экспериментальных и практических успехов (см. главы 4 и 5). Однако многие замечают, как сильно возросло количество нерешенных проблем, что вынуждает воспринимать ее скорее как приблизительную схему реальности, чем нечто бÓльшее. Наиболее сложная из них поднимает вопрос масштабов, оставленный квантовой теорией открытым: где кончается квантовый мир и начинается классический? Благодаря новому поколению экспериментов, разрабатываемых сегодня, мы наконец-то обладаем достаточной чувствительностью, чтобы узнать ответ.

Возьмем странное явление суперпозиции. Его самое известное проявление – это двухщелевой эксперимент, в котором фотон в отсутствие наблюдения проходит через две щели одновременно и каким-то образом интерферирует сам с собой (см. главу 2). Другими словами, пока никто на него не смотрит, фотон существует в двух разных местах одновременно.

Ситуация аналогична происходящей с котом Шрёдингера. Чтобы показать, что с квантовой теорией что-то не так, Шрёдингер придумал странный сценарий. Невозможно, говорит он, чтобы что-то неквантовое, например кот, находилось в суперпозиции жизни и смерти при условии, что его наблюдают или нет. Но с тех пор исследователи доказали, что молекулы C 70тоже могут проходить через две щели одновременно. Хотя эти похожие на футбольные мячи молекулы не столь заметны, как коты, тем не менее их можно увидеть в микроскоп.

Такие эксперименты крайне полезны для объяснения нам того, что представляет собой вещество. Они показали, например, что если условия позволяют наблюдателю выяснить, через какую щель прошел фотон (скажем, в установке были случайные фотоны, которые могли оттолкнуться от исследуемого и тем самым выдать его положение), то суперпозиция исчезнет. Это разрушение, или коллапс, суперпозиции известно как декогеренция.

Исследование обстоятельств возникновения декогеренции позволило нам узнать больше о том, что заставляет крутиться шестеренки квантового мира. Однако это все еще капля в море реального знания. И здесь мы наталкиваемся на новую сложную проблему – квантовую логистику.

Преодоление границы между квантовым миром и миром классической физики означает использование все более крупных молекул, чтобы понять, на каком уровне декогеренция разрушает суперпозицию. Но чем больше молекула, тем сложнее контролировать внешние силы, не давая им разрушить хрупкое квантовое состояние молекулы. На уровне больших молекул правят неконтролируемые эффекты декогеренции, искажая само явление, которое вы хотите измерить.

Именно там оказываются полезными квантовые машины. На данный момент они, конечно, не производят впечатления мощных суперкомпьютеров будущего. Крупнейшая из них немногим больше алюминиевой полоски длиной в 50 микрометров. Она функционирует как осциллятор – так называемый квантовый камертон. Главный ее смысл – в массе. Даже сравнительно большие группы атомов углерода, использующиеся сегодня, просто пушинки в сравнении с массой, которая будет у квантовой машины (см. рис. 7.1).

Рис. 7.1. Масса имеет значение: квантовые машины на порядки массивнее всего, что демонстрировало квантовое поведение прежде, например электронов и молекул.

Масса квантового объекта играет важную роль в некоторых альтернативных объяснениях механизмов работы квантового мира. В 2003 году математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз предположил, что гравитация может привести к коллапсу суперпозиции. Он считает, что в конечном счете мы будем вынуждены объединить уравнение Шрёдингера, описывающее квантовые частицы, понимание процесса измерения и принципы теории гравитации Эйнштейна в одну теорию. По мнению Пенроуза, каждая из этих трех сторон реальности будет рассматриваться только как приближение к более глубокой фундаментальной правде (см. главу 8).

Для проверки подобных идей, однако, потребуются квантовые машины с фактически недостижимым уровнем чувствительности. Необходимый прибор включает в себя зеркала шириной в 10 микрометров и массой всего лишь в несколько триллионных долей килограмма, а также механизмы, способные регистрировать смещения менее чем в миллиардные доли миллиметра. Такие квантовые машины стали бы огромным шагом к наблюдениям подлинно макроскопических объектов в двух местах одновременно. Если мы сможем их реализовать, то у нас будет механический аналог кота – и живого, и мертвого. Но нам еще многое предстоит сделать, прежде чем мы действительно будем готовы разрешить этот парадокс.

Квантовая теория основывается на идее о том, что свет может существовать как частица и волна одновременно. Но так или это на самом деле или это всего лишь самый простой способ для нашего классического мозга объяснить происходящее?

Для Нильса Бора, величайшего датского пионера квантовой физики, «главной тайной» этой новой физики была причина, по которой фотоны в одних случаях ведут себя как волны, а в других – как частицы. Он назвал этот принцип комплементарностью: квантовые объекты, например фотоны, просто имеют дополняющие друг друга свойства – быть волной и быть частицей, – которые могут наблюдаться только поодиночке. А что определяет, какое обличье примет объект? Мы. Посмотрите на частицу, и вы увидите частицу. Посмотрите на волну, и вы увидите именно ее (см. рис. 7.2).

Рис. 7.2. Корпускулярно-волновой дуализм – главная тайна квантовой механики.

Идея зависимости физической реальности от каприза наблюдателя серьезно беспокоила Эйнштейна. «Зависит ли тогда существование Луны от наблюдателей? – однажды спросил он. – Ни одно разумное определение реальности не может допустить такое», – буркнул Эйнштейн в 1935 году. Ему была ближе альтернативная идея лежащего в основе скрытого уровня реальности, пока еще недоступного и содержащего скрытые воздействия, «сообщающие» фотону о характере эксперимента, который будет над ним проведен, и изменяющие соответствующим образом его поведение.