Майкл Файер - Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

Я должен признаться, что допустил некоторое упрощение. В двух заходах эксперимента со шрёдингеровскими котами вы, вероятно, не получите каждый раз ровно по 500 живых и 500 мёртвых котов. Эта ситуация чем-то похожа на 1000-кратное бросание идеальной монеты. Поскольку вероятность выпадения решки равна одной второй и вероятность выпадения орла — тоже одна вторая, после 1000 бросаний вы получите около 500 решек. Однако у вас может также выпасть 496 или 512 решек. Вероятность получить ровно 500 решек и 500 орлов при 1000 бросаний составляет 0,025 (2,5 %). Вероятность выпадения 496 решек равна 0,024 (2,4 %), а 512 решек — 0,019 (1,9 %). Вероятность получить только 400 решек или 400 живых котов при 1000 попыток составляет 4,6∙10 −11= 0,000000000046. Таким образом, возможные исходы сосредоточены вблизи 500 из 1000, или 50 %. Зная, что имеется 1000 ящиков со шрёдингеровскими котами, которые представляют собой смесь 50 на 50 мёртво-живых котов, или 1000 раз бросая идеальную монету, вы не можете сказать, что случится при вскрытии одного конкретного ящика или при отдельном бросании монеты. На самом деле нельзя даже точно сказать, что случится, когда вы откроете всю тысячу ящиков или 1000 раз подбросите монету. Можно говорить лишь о том, какова вероятность получить определённый результат для одного события и каким будет наиболее вероятный совокупный результат множества событий.

Существует принципиальная разница между котами Шрёдингера, или, более строго, реальными квантовыми экспериментами, и бросанием монеты. Перед броском монета повёрнута вверх либо орлом, либо решкой. Бросая её, я не знаю, каким будет исход, но монета начинает движение из хорошо определённого состояния — вверх либо орлом, либо решкой — и заканчивает тоже в хорошо определённом состоянии — орёл или решка. Можно построить машину, которая подбрасывает монету настолько точно, что при падении та всегда даёт один и тот же результат. Никакие законы природы этому не препятствуют. Кладя монету в машину решкой вверх, можно переключателем задать, как именно она должна выпасть — орлом или решкой. Когда монету бросают рукой, нельзя абсолютно точно повторить движение, что и делает исход случайным. Однако ящик, содержащий кота Шрёдингера, — это совсем другое дело. Кот является смесью живого и мёртвого в соотношении 50 на 50. Именно акт вскрытия ящика и наблюдения состояния кота заставляет последнего перейти из «смешанного состояния» в «чистое» — либо живое, либо мёртвое. Не имеет значения, как именно открываются ящики. В отличие от случая с монетами машина, построенная для открывания всей тысячи ящиков в точности одинаковым способом, не приведёт к получению одинаковых результатов. Единственное, что известно при вскрытии любого ящика, — то, что с вероятностью 50 % в нём обнаружится живой кот.

Как уже отмечалось, с проблемой кота Шрёдингера нельзя столкнуться в жизни. Однако многие частицы и состояния ведут себя подобно тому, что происходит при открывании ящиков с котами Шрёдингера. Частицы, такие как фотоны (частицы света), электроны, атомы и молекулы, обладают «смешанными состояниями», которые при наблюдении превращаются в «чистые состояния», аналогично тому, как это было описано для случая с котами Шрёдингера. Сущности, лежащие в основе привычных нам веществ, процессов и явлений, на фундаментальном уровне ведут себя столь же контринтуитивно, как шрёдингеровские коты. Однако проблема заключается не в поведении электронов и атомов, а скорее в нашем интуитивном представлении о том, как вещи должны себя вести. Наша интуиция основана на повседневном опыте. Мы получаем информацию посредством чувств, позволяющих наблюдать лишь те явления, в которых поведение материи подчиняется законам классической механики. Чтобы принять кванотовомеханический мир, который окружает нас повсюду, но который мы не можем понять интуитивно на основе наших сенсорных восприятий, необходимо выработать новое понимание природы и новую интуицию.

Фундаментальная природа размера имеет решающее значение для понимания различий между теми аспектами повседневной жизни, которые согласуются с нашим интуитивным восприятием природы, и миром квантовых явлений, которые тоже окружают нас. Мы хорошо чувствуем, как движутся бейсбольные мячи, но, как правило, склонны недооценивать степень своего незнания относительно того, что придаёт вещам различный цвет и почему нагревательный элемент электрокамина становится горячим и от него исходит красное свечение. Движение бейсбольных мячей можно описать, используя законы классической механики, но цвет и электрический нагрев — квантовые явления. Разница между классическими и квантовыми явлениями непосредственно связана с определением размера.

Корректным представлением о размере является кванотовомеханическое, и оно сильно отличается от привычного нам. Зато наше обыденное представление о размере играет центральную роль в классической механике. Неправильная трактовка понятия размера и все последствия этой ошибки ответственны, в конечном счёте, за неспособность классической механики правильно описывать и объяснять поведение фундаментальных составляющих материи. Квантовомеханическое описание материи лежит в основе технологий в столь разных областях, как микроэлектроника и создание фармацевтических препаратов.

В классической механике размер относителен. В квантовой механике размер абсолютен. В чём состоит разница между относительным и абсолютным размером и почему она так важна?

В классической механике и в повседневной жизни мы определяем, велик предмет или мал, сравнивая его с каким-то другим предметом. На рис. 2.1 изображены два камня. Взглянув на них, мы скажем, что левый камень больше правого. Однако поскольку их не с чем больше сравнить, мы не можем понять, большие это валуны или мелкие камешки. На рис. 2.2 снова изображён левый камень, однако на этот раз размер камня очевиден, поскольку его можно сопоставить с размером человеческой руки. Зная, какова характерная величина руки, мы получаем ясное представление о размере камня. Как только у нас появился объект для сравнения, мы получили возможность определить, что этот камень небольшой, хотя и не совсем мелкий. Если я стану описывать этот камень по телефону, то скажу, что он немного больше кисти руки, и этого достаточно, чтобы мой собеседник понял, насколько он велик. Если же никакого объекта известной величины для сравнения нет, то нет и возможности определить размеры.