87
Квантовая механика – любимый инструмент всех голливудских сценаристов, который они используют, чтобы объяснить то, что они чувствуют в тот или иной момент, и неважно, связано ли событие или то, что они говорят, с реальностью. Квантовая механика – настолько запутанная отрасль науки, что даже такие выдающиеся физики-теоретики, как Ричард Фейнман, говорили (вероятно, в шутку), что никто её не понимал. И всё же, многие будут приводить примеры, чтобы объяснить это, и, пожалуй, самый популярный из них – это «Кот Шрёдингера». Но не все люди правильно понимают его.
Для непосвящённых, в упрощённой форме квантовая механика – это наука обо всём в уменьшенном масштабе, включая элементарные частицы, составляющие атом. Квантовая механика в значительной степени является вероятностной, учитывая, что вещи, которые кажутся простыми в классической физике – например, положение и импульс макроскопических объектов – невозможны в масштабах атома. Таким образом, квантовая механика имеет дело с суперпозиционными состояниями, когда частица может находиться в более чем одном состоянии одновременно, прежде чем она будет вынуждена разрушиться при наблюдении.
Это трудно понять. Было опубликовано множество решений, объясняющих отсутствие детерминированной природы этих очень маленьких частиц, однако никто не смог выдвинуть теорию, которая стала бы общепринятой. Многие физики довольствуются тем, что имеют дело с вероятностной путаницей, поскольку это работало до сих пор. Альберт Эйнштейн, однако, не относился к их числу. В 1935 году он вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью под названием «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». Они утверждали, что квантовая физика не была полной из-за парадоксов, которые она могла породить без контекста. В качестве примера они привели проблему квантовой запутанности – феномена, при котором состояние одной частицы может влиять на состояние другой, даже если они разделены, при этом расстояние не имеет значения, а влияние является мгновенным. Согласно Эйнштейну, это означало бы, что информация движется с бесконечной скоростью, нарушая одну из самых фундаментальных констант физики – скорость света. В 1964 году Джон Стюарт Белл предложил решение этого парадокса, и последующие эксперименты подтвердили его выводы. Но был ещё один физик, которого не устраивала которые квантовая неопределённость: его звали Эрвином Шрёдингером.
Эрвин Шрёдингер родился в Австрии в 1887 году; он был не только успешным физиком, но и внёс значительный вклад в квантовую механику. Среди его заслуг – уравнение Шрёдингера, которое используется для описания волновой функции системы. Оно принесло ему Нобелевскую премию по физике, которую он разделил с Полом Адриеном Морисом Дираком. Учитывая, что его карьера была посвящена квантовой механике, вы можете задаться вопросом: как он мог так скептически относиться к квантово-механическому описанию природы?
Чтобы ответить на данный вопрос, необходимо погрузиться в разговоры, которые вели Шрёдингер и Эйнштейн на протяжении многих лет. Поскольку они оба скептически относились к квантовой неопределённости, они обменивались письмами на эту тему, и в одном из этих писем Шрёдингер привёл пример, который достаточно известен всем на данный момент.
Представьте себе кота внутри стального ящика, где также находится счётчик Гейгера (прибор для измерения радиации), который следит за высвобождением небольшого количества радиоактивного вещества. Вероятность того, что один из атомов распадётся в течение следующего часа, составляет 50%. Если один из атомов распадётся, это счётчик Гейгера обнаружит это и заставит устройство выделить цианистый водород.
Учитывая неопределённую природу квантовой механики до тех пор, пока её не измерили или не наблюдали, система не смогла впасть в одно из двух состояний (атом распадается или не распадается), поэтому кот мёртв и жив одновременно, поскольку его здоровье зависит от упомянутого атома. Фактор, который заставит атом, а затем и кота перейти в одно из двух возможных состояний – это физик (надеемся, не владелец кошки), который откроет ящик, чтобы увидеть, что произошло, через час после начала эксперимента.
Видите ли, проблем квантовой механики заключалась в том, что никто не знал, где заканчиваются её вероятностные эффекты. Почему жизнь или смерть кота зависит от нашего наблюдения? Почему система зависит от того, наблюдаем мы за ней или нет? Разве кот не наблюдает за ядом? Кто наблюдает за физиком, заглядывающим внутрь ящика? Каковы вероятностные эффекты? Если есть предел, насколько он велик? Как система, которая была независимой до нашего наблюдения, может измениться, когда мы решим понаблюдать за ней? Это трудно объяснить, потому что в относительных макроскопических терминах повседневные объекты не находятся в каких-либо состояниях, пока наблюдатель не взаимодействует с ними. Таким образом, кажется нелогичным, что, пока мы не открыли ящик, кот мёртв и жив одновременно, а как только мы решили проверить его состояние, то есть стали наблюдателями, он стал мёртвым задним числом. Это означало прямую критику Копенгагенской интерпретации.
Эйнштейн не мог не согласиться с выводами, которые создавал этот сценарий. При усилении его эффектов становится трудно определить, что является детерминированным, а что – вероятностным. Об этом говорится в письме, отправленном Шрёдингеру в 1950 году:
«Эта интерпретация (что квантовая механика является полным описанием реальности), однако, наиболее изящно опровергается вашей системой радиоактивного атома + счётчика Гейгера + усилителя + заряда пороха + кота в ящике, в которой пси-функция системы держит кота как живым, так и разорванным на куски. Может ли состояние кота создаваться только тогда, когда физик исследует ситуацию в определённое время? Никто на самом деле не сомневается, что наличие или отсутствие кота – это нечто независимое от акта наблюдения. Но тогда описание с помощью пси-функции, безусловно, является неполным…».
Надо сказать, что именно Эйнштейн заменил порох цианистым калием в качестве средства гипотетической жестокости к животным.
Естественно, «Кот Шрёдингера» либо неправильно цитировали, либо временами искажали, чтобы доказать то, что не имело никакого отношения к физике. Самое простое заблуждение, связанное с данным мысленным экспериментом, состоит в том, что Шрёдингер серьёзно относился к нему и что «его можно было выполнить». Конечно же, он не воспринимал эту концепцию всерьёз, а скорее высмеивал варианты, которые подразумевала квантовая неопределённость.
Следующее заблуждение популярно среди философов и людей, которые хотят придать мистический характер этому мысленному эксперименту. Они рассматривают «наблюдателя» как фактического «очевидца», так сказать; сознательную сущность или личность. Обычно это приводит к объединению сознания и квантовой механики, чтобы придать мистическим философиям некоторую достоверность. Одной из известных теорий является Интерпретация фон Неймана-Вигнера, которая утверждает, что сознание необходимо для коллапса волновой функции. Однако следует отметить, что Шрёдингер, вероятно, имел в виду, что наблюдатель может быть или не быть сознательным наблюдателем. Это может быть то, что просто производит измерения или взаимодействует с системой. Таким образом, речь не обязательно шла о сознательных существах или даже о том, что сознательный наблюдатель не был необходим. Физики склонны преуменьшать роль сознательного наблюдателя в модели, поскольку вселенная не заботится о вашей интерпретации.
Самая упрощённая интерпретация состояла в том, что Шрёдингер высмеивал или полностью отвергал квантовую механику. Но зная, что он вывел известные формулы и что квантовая механика работает, это далеко не так. Он просто утверждал, что рано интерпретировать квантовую механику как полноценную теорию, основанную на вероятности, поскольку мы не до конца понимаем, как работают реальные механизмы, стоящие за ней.
Как отметил научный автор Филип Болл, Эрвин Шрёдингре не имел в виду, что квантовая физика неприменима к повседневным макроскопическим объектам. Мы знаем об этом, однако используем данный пример как абсурдный, преувеличенный способ показать, что расширение списка того, что можно считать «квантовыми объектами», может привести к парадоксам, которые легко решить.
Конечно, это не препятствует попыткам. К примеру, у нас есть интерпретация, которая гласит, что в роли наблюдатели может выступить всё, что угодно, причём в каждом случае верна своя версия: если кота отравят, он станет свидетелем разрушения системы, но поскольку физик ещё не заглянул в ящик, то система находится для него в суперпозиции, пока он не получит больше информации о ней.
Также существует Многомировая интерпретация Хью Эверетта, которая гласит, что любое измерение, которое заставляет систему впасть в одно из двух суперпозиционных состояний, расколет реальность надвое; обе будут одинаково реальны, но не смогут взаимодействовать друг с другом. Это означает, что коллапса никогда не было: если вы открываете коробку и кот всё ещё жив, то он всегда был таким… в вашей реальности, но есть и другая вселенная, где вас арестовывают по обвинению в жестоком обращении с животными.
Что же касается Нильса Бора, главного антагониста Альберта Эйнштейна, то он вовсе не считал это загадкой. Он не думал, что наблюдатель непосредственно вызвал коллапс, он просто измерил его. По его мнению, первым наблюдателем был счётчик Гейгера. Можно сказать, что для Бора всё, что находилось за пределами ящика, не имело значения для результата.
Было предложено ещё много решений этого парадокса, показывающих, насколько трудно его решить. Ни один из них не дал удовлетворительных выводов. Вероятно, именно поэтому Эрвин Шрёдингер не любил обсуждать вероятность в квантовой механике. Однажды он заявил: «Я не сторонник теории вероятностей, я возненавидел её с того самого момента, когда наш дорогой друг Макс Борн создал её. Было видно, как она всё упрощала, скрывая истинные проблемы».
via
yaplakal.com