Джон Гриббин - Шесть невозможностей. Загадки квантового мира

Эрвин Шрёдингер

Legion-Media

Волна, однако, несет с собой не только вероятности. Если у квантового объекта есть выбор, в каком состоянии пребывать (к примеру, электрон может обладать положительным или отрицательным спином), оба эти состояния каким-то образом включены в его волновую функцию. Такая ситуация называется «суперпозицией состояний», а состояние, в котором в итоге оказывается квантовый объект в момент его обнаружения или взаимодействия с другим объектом, также определяется в момент схлопывания волновой функции. В 1955 г., читая лекцию в Сент-Эндрюсском университете, Вернер Гейзенберг сказал, что «переход от “возможного” к “действительному” происходит во время акта наблюдения».

Этот метод вполне годится для расчета квантового поведения, словно электроны и подобные им объекты на самом деле поведут себя именно так. В то же время метод порождает множество трудных вопросов. Один из них обнаруживается в так называемом эксперименте «с отложенным выбором», придуманном физиком Джоном Уилером. Начал он с того, что фотоны, которые выстреливаются по одному в эксперименте с двумя отверстиями, все же образуют на экране детектора интерференционную картину. Но, согласно КИ, если поместить между экраном с отверстиями и экраном детектора устройство, которое будет отслеживать, через какое именно отверстие прошел очередной фотон, интерференционная картина исчезнет, демонстрируя тем самым, что каждый фотон действительно прошел только через одно отверстие. Об «отложенном выборе» говорят потому, что мы можем принять решение – наблюдать нам за фотонами или нет – уже после того , как они пройдут сквозь экран с двумя отверстиями. Разумеется, человеческие реакции для этого слишком медленны. Но такие эксперименты были проведены с использованием автоматических устройств, которые включали или выключали мониторы после прохождения фотонами экрана с отверстиями. Эксперименты показывают, что интерференционный рисунок действительно исчезает, когда за фотонами наблюдают, а значит, каждый фотон (или соответствующая волна вероятности) проходит лишь через одно отверстие – притом что решение о наблюдении этого фотона принимается уже после того, как он прошел экран с отверстиями.

Уилер предложил вообразить аналогичный эксперимент в космическом масштабе. Известно явление гравитационного линзирования: свет от далекого объекта, такого как квазар, фокусируется гравитацией промежуточного объекта, скажем галактикой, и обходит эту своеобразную гравитационную линзу двумя (или более) путями. В результате в детекторах здесь, на Земле, появляется двойное изображение объекта. В принципе, вместо получения двух изображений можно было бы смешать свет, прошедший различными путями, и получить интерференционную картину волн, обошедших гравитационную линзу по разным траекториям. Этакая космическая версия эксперимента с двумя отверстиями. Но мы можем наблюдать фотоны прежде, чем они сформируют интерференционную картину, и отследить, каким именно путем они прошли вокруг линзы. Тогда, судя по результатам лабораторных экспериментов, интерференционная картина должна исчезнуть. Допустим, квазар находится от нас на расстоянии 10 млрд световых лет, а галактика, играющая роль гравитационной линзы, – на расстоянии 5 млрд световых лет. Согласно результатам уже известных экспериментов, на то, что эти фотоны делали миллиарды лет назад и за миллиарды световых лет отсюда, воздействует то, что мы решаем измерить здесь и сейчас. Что вообще происходит? Как выразился сам Уилер, «копенгагенская интерпретация велит нам не задавать подобные вопросы» [8]. Не такая уж она, значит, распрекрасная.

Вернер Гейзенберг

Legion-Media

По существу, КИ утверждает, что квантовый объект не обладает неким определенным свойством (никаким свойством), пока он не измерен. Это порождает множество вопросов о том, что представляет собой измерение. Обязательно ли в нем должен участвовать человеческий разум? На месте ли Луна, когда никто на нее не смотрит? Существует ли Вселенная только потому, что человеческие существа достаточно разумны, чтобы заметить это? Или взаимодействие квантового объекта с детектором тоже может считаться измерением? И где именно в промежутке между этими двумя крайностями находится граница между квантовым миром и «классическим» миром старой доброй Ньютоновой физики? Подобными соображениями руководствовался Шрёдингер, предлагая свою знаменитую загадку про кота, запертого в комнате (он использовал немецкое слово, обозначающее «комнату», а не «ящик») с адской машиной, которая может убить кота, но находится в равновероятной (50/50) суперпозиции состояний. Дополняя этот пример, представьте, что детектор в комнате измеряет спин какого-то конкретного электрона. Если он окажется положительным, устройство сработает и кот умрет. Если отрицательным, коту ничего не угрожает. Электрон перед измерением находится в суперпозиции состояний. Но в комнате нет никого, кто мог бы увидеть, что произойдет при включении детектора. Схлопнется волновая функция или нет? Или кот тоже будет находиться в суперпозиции состояний – одновременно и мертв и жив, – пока кто-нибудь не откроет дверь и не заглянет в комнату?

В моем продолжении этой идеи имеются еще два отпрыска знаменитого кота (считая, что он уцелел), которых я называю котятами Шрёдингера [9] Специалисты по физике элементарных частиц позаимствовали это название и используют его в другом контексте. Имеют право. . Эти идентичные кошечки-близняшки – дочери кота Шрёдингера – живут в одинаковых космических капсулах, где у них есть все необходимое для жизни, даже игрушки. Капсулы соединены трубкой, в середине которой располагается ящичек с одним-единственным электроном. Волна этого электрона равномерно заполняет ящичек. В какой-то момент в ящичке опускается перегородка, разделяя его, а также капсулы на две части; каждая из них сообщается с ящичком, содержащим половину волны электрона. После этого капсулы отправляют с одинаковой скоростью в противоположных направлениях, пока они не окажутся на расстоянии пары световых лет друг от друга. В каждой капсуле имеется детектор, регистрирующий наличие электрона. Спустя некоторое время (не обязательно одинаковое в обоих случаях) устройство откроет полуящичек в каждой капсуле. Если там окажется электрон, то взрослая уже кошка умрет. Если нет, останется жить. Но нет никакого разумного наблюдателя, который мог бы понять, что происходит. И что же – обе кошки в результате всех этих действий окажутся в суперпозиции? Теперь представьте, что некий разумный инопланетянин в пролетающем мимо корабле поймает одну из капсул и заглянет внутрь, увидев там кошку, живую или мертвую. Неужели именно в этот момент схлопнется волновая функция в каждой из капсул – и то, что увидит инопланетянин, определит судьбу второй кошки на расстоянии двух световых лет от первой? Да, если верить не такой уж распрекрасной КИ.