Квантовые частицы ведут себя так, будто они находятся в нескольких местах одновременно. А ведь и яблоко, и кот, и все остальные макроскопические тела состоят из квантовых частиц. Это один из ярких парадоксов наиболее точной современной теории — квантовой механики.
Квантовая механика великолепно объясняла те явления, которые происходят на уровне элементарных частиц, но при этом была неэффективна в отношении описания систем макроскопического масштаба, в которых хорошо действовала классическая механика. В свою очередь, классическая механика не могла адекватно объяснить то, что наблюдается в мире атомов, адронов, электронов и протонов. Теоретическая физика разделилась на два пласта, которые никак не желали согласовываться между собой.
Теория, которую трудно представить
В истории науки часто бывает так, что математический аппарат теории разрабатывается раньше, чем приходит понимание его физического смысла. Так произошло и на этот раз. Несмотря на изящность математических конструкций квантовой механики, возникла острая необходимость в её интерпретации с точки зрения реальности и даже философии. Проще говоря, требовалось сделать так, чтобы квантовый мир можно было не только просчитать и расписать в формулах, но ещё и вообразить.
А это, надо сказать, весьма трудное занятие. Взять хотя бы фундаментальное положение квантовой физики — принцип неопределённости Гейзенберга. Он гласит, что чем максимально точнее будет измерена скорость квантовой частицы, тем труднее будет предсказать её местоположение, и наоборот. Если бы этот принцип наблюдался в повседневной жизни, то получилось бы весьма необычная ситуация. Допустим, имеется правонарушитель на автомобиле. Этот горе-гонщик может ничего не бояться и на полной скорости ехать туда, куда ему вздумается — ведь стоит только зафиксировать скорость машины радаром, как её положение тут же станет неопределённым. И наоборот, если сфотографировать автомобиль, то есть установить его местоположение, то проявится ужасная погрешность, которая помешает вычислить скорость. Такие вот курьёзы.
Элементарные частицы в квантовой механике не имеют скоростей и координат, к которым мы так привыкли. Вместо них есть волновая функция, описывающая так называемое чистое состояние системы и определяющая вероятности характеристик частицы. При этом сам квантовый объект не расположен в каком-то конкретном месте и не перемещается туда-сюда. Он будто размазан в пространстве и находится сразу везде и во всех возможных состояниях одновременно. Это называется суперпозицией. При взаимодействии таких частиц образуются «запутанные» состояния с единой системой и общей волновой функцией.
Перед физиками стал ряд вопросов: что представляют собой квантовые частицы в реальности? Что будет с волновой функцией при регистрации квантов в определённой точке? И самое главное, какую роль во всём этом играет наблюдатель?
Копенгагенская интерпретация
В 1927 году в Копенгагене совместными усилиями Нильса Бора и Вернера Гейзенберга было сформулировано толкование квантовой теории. В частности, оно касалось таких важнейших вопросов, как корпускулярно-волновой дуализм и, особенно, измерение (наблюдение).
Согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция содержит абсолютно все данные о состоянии квантовых объектов. Однако она описывает не сами по себе элементарные частицы, а их свойства, проявляющиеся на макроуровне. Внутри частиц нет скрытых характеристик, которые определяют, когда им распадаться или где появляться при регистрации. На волновую функцию влияют лишь такие процессы, как унитарное преобразование (исходит из уравнения Шрёдингера) и процесс наблюдения.
Краеугольным камнем копенгагенской интерпретации является именно процесс квантового измерения. Когда экспериментатор наблюдает частицу в конкретном месте, то вероятность её нахождения в стороне — практически нулевая. То есть волновая функция молниеносно концентрируется в весьма маленькой области. Это событие называют коллапсом волновой функции.
В качестве наглядного примера коллапса можно привести следующий простой эксперимент. Допустим, у нас есть посеребренная стеклянная пластина, отражающая и пропускающая ровно половину исходного светового потока, который на неё падает. Пусть на эту пластину падает всего лишь один фотон. Его волновая функция разделится на отраженную и пройденную волны. Если на этом волновом пути поставить два фотодатчика, то активизируется только один из них, ибо фотон окажется либо слева, либо справа от посеребренной пластинки, то есть либо отразится, либо пройдет через неё. Вероятность такой регистрации — 50%, и это совершенно случайный процесс.
К сожалению, даже копенгагенская интерпретация не даёт ответа на вопрос, что же такое волновая функция — реальная сущность или математический инструмент для просчета вероятностей? Но все же данная интерпретация снискала наибольшую популярность у физиков, и её монополия длилась достаточно долго. Да и сейчас её поддерживают большинство учёных. Как бы там ни было, Нильс Бор считал, что главное — просчитать и предсказать результаты, а остальное — размышления — относится уже не к науке, а к философии.
Кот Шрёдингера
Недостатки квантовой механики по отношению к макромиру очень беспокоили Эрвина Шрёдингера, одного из создателей этой теории. Для того чтобы продемонстрировать её неполноту, он придумал мысленный эксперимент. Если попытаться объяснить простыми словами суть эксперимента, то получится следующее.
В стальной камере заперт кот. Камера содержит механизм со счётчиком Гейгера, в котором есть радиоактивное вещество. Его количество настолько мизерное, что за один час может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться. Если ядро распадётся, то считывающий детектор передаст сигнал на реле, активирующее молот, который ударяет по колбе с синильной кислотой. Следовательно, при распаде ядра кот погибнет, а если распада не будет, то он останется жив-здоров.
Квантовая механика показывает, что если над атомным ядром (а соответственно, и над котом) не производится наблюдение, то оно пребывает в суперпозиции. Устранить эту неопределённость может только наблюдение. Но до того как наблюдатель откроет камеру, система «кот-радиоактивный элемент» находится в «размазанном» состоянии с одинаковой вероятностью 50%. Получается, что кот и жив, и мёртв одновременно. Разумеется, в действительности такого не может быть, ибо нет промежуточного состояния между жизнью и смертью, а значит, квантовая механика имеет изъян.
Копенгагенская интерпретация «выкручивается» из этого парадокса таким образом: если наложить макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, то суперпозиция разрушается и экспериментатор увидит либо живого, либо мёртвого кота. Выбор состояния распада ядра (и состояния животного) происходит не в момент открытия камеры, а именно тогда, когда ядро попадает в детектор.
Критикуя квантовую механику, великий Альберт Эйнштейн как-то сказал: «Бог не играет в кости». Нильс Бор ему отвечал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать». Споры на этот счёт продолжаются. Для простого обывателя квантовая теория пусть и удачная, но невообразимая. Как бы там ни было, на сегодняшний день в физике нет другой концепции, которая могла бы описать удивительный мир элементарных частиц более точно. Не правда ли?