65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Вопрос 40. Почему кот Шрёдингера и жив и мертв одновременно?
Сегодня неопределенность и вероятностный характер процессов, происходящих в микромире, стали основой физической картины мира. То, что кажется немыслимым для макроскопических объектов (с которыми мы имеем дело в обычной жизни), вполне себе допустимо для микроскопических частиц: электроны могут находиться сразу в нескольких местах, фотоны в опытах Юнга могут одновременно проходить сразу через две щели, а альфа-частицы могут даже проходить сквозь стены (переходить через потенциальный барьер, как сказали бы физики). Всё это, конечно, не очень понравилось ученым начала ХХ века. Альберт Эйнштейн выразил это возражение теперь уже ставшей знаменитой фразой «Бог не играет в кости». На что Нильс Бор, один из основоположников и идейных вдохновителей создания квантовой теории, ему элегантно парировал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать». Тем не менее даже один из создателей волновой механики Эрвин Шрёдингер, открывший фундаментальное уравнение квантовой теории, названное его именем, долгое время не принимал все эти квантовые неопределенности. Поэтому он решил придумать мысленный эксперимент, показывающий всю абсурдность квантовых представлений.
На идею самого известного в квантовой механике мысленного эксперимента Шрёдингера вдохновил Эйнштейн. В начале и середине 1930‐х они вели активную переписку, обсуждая противоречия в формулировке квантовой механики, найдя друг в друге чуть ли не единственных борцов за здравый смысл в современной им науке. В одном из своих писем Эйнштейн описал некий парадокс с пороховой бочкой, которая может быть взорванной и невзорванной одновременно.
Чтобы понять суть парадокса, нужно сказать пару слов про принцип суперпозиции в квантовой механике. Физические системы могут находиться в различных состояниях: частица может обладать разными энергиями, электрон может двигаться с разными скоростями и по разным орбитам вокруг ядра, радиоактивное ядро может распасться или не распадаться, фотон в двухщелевом эксперименте Юнга может пролетать через одну щель или через другую и т. д. Однако, даже зная исходное состояние квантовой системы, мы не можем описать, как она будет выглядеть через некоторое время. Так происходит потому, что квантово-механическое описание эволюции физической системы задается волновым уравнением Шрёдингера, решая которое, мы получаем лишь набор вероятностей обнаружить систему в том или ином возможном состоянии. И пока мы не произвели наблюдение за этой системой, никто не знает, в каком из этих состояний она находится на самом деле. Преобладающая на сегодняшний день среди физиков так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики полагает, что квантовая система находится сразу во всех этих состояниях одновременно. На математическом языке это выражается в том, что волновая функция системы представляет собой сумму (или суперпозицию) волновых функций всех возможных в данный момент состояний системы. Так, например, происходит «размазывание» электрона вокруг ядра в атоме по всей орбитали, где электрон может быть обнаружен в любой точке с некоторой вероятностью. Или в двухщелевом эксперименте фотон одновременно проходит через две щели, интерферируя с самим собой[65].
Таким образом, для квантовых систем вполне естественно находиться одновременно сразу в нескольких состояниях, чего мы, конечно же, не наблюдаем в привычном нам макромире. И чтобы показать абсурдность такого свойства квантовых объектов, Шрёдингер предложил свой знаменитый эксперимент с котом[66]. Сразу оговоримся, что эксперимент чисто мысленный, так что при его проведении ни одно животное не пострадало. А суть эксперимента в следующем: кота запирают в стальной камере, оборудованной смертоносным устройством. Крошечный кусочек радиоактивного вещества, которое в течение одного часа распадается с вероятностью 50 %, помещен в счетчик Гейгера (прибор, который фиксирует радиоактивный распад). Если распад происходит, то срабатывает счетчик и запускается механизм, разбивающий ампулу с ядом, и кот умирает. Если же распада не происходит, то ампула не разбивается, и кот остается жив. Вроде всё довольно просто и однозначно. Но только до тех пор, пока в игру не вступают квантовые принципы. Ведь радиоактивный распад – это микроскопический процесс, подчиняющийся всем квантовым закономерностям. А значит, волновая функция радиоактивного атома эволюционирует (меняется со временем), согласно уравнению Шрёдингера. Следовательно, по истечении часа состояние радиоактивного элемента не будет уже чем-то определенным, он одновременно будет находиться в суперпозиции двух состояний «распался» и «не распался». А поскольку с каждым из этих состояний связана судьба кота, то и сам кот также должен находиться в суперпозиции двух состояний «жив» и «мертв» одновременно. Разумеется, это полный абсурд – никто никогда не видел живомертвых котов. Поэтому нам кажется, что никакая физическая система не может находиться одновременно сразу в нескольких состояниях.
Тем самым Шрёдингер пытался показать, как неопределенность, первоначально свойственная лишь микромиру, превращается в макроскопическую неопределенность, которую мы в своей повседневной реальности никогда не наблюдаем. Как мы уже говорили ранее, законы нашего макромира – это те же квантовые законы, просто примененные к огромному количеству микроскопических частиц. Волновые свойства этих триллионов и триллионов частиц, накладываясь друг на друга (и это можно строго математически показать), в результате дают те макроскопические свойства и закономерности, к которым мы привыкли и в которых не бывает никаких суперпозиций. Поэтому волновая функция радиоактивного атома коллапсирует при наложении на такой макроскопический объект, как кот, состоящий из триллионов и триллионов частиц. Так что на самом деле кот не может находиться сразу в двух состояниях, а всегда только в одном: либо жив, либо мертв.
Вопрос 41. Почему частицы ведут себя по-другому, когда за ними наблюдают?
Еще один квантовый эффект, который плохо согласуется с нашим повседневным опытом, – это эффект наблюдателя. Суть его заключается в том, что микроскопические частицы, которые мало того что обладают корпускулярно-волновой природой, так они в одном и том же эксперименте могут вести себя и как волны, и как частицы, в зависимости от того, наблюдают за ними или нет. Это выглядит довольно странно – как вообще частица «понимает», что за ней наблюдают? И не является ли это доказательством того, что наше сознание может воздействовать на материю и что наши мысли вообще материальны? Многие далекие от науки авторы любят поспекулировать на эту тему. Но как обстоят дела с эффектом наблюдателя с научной точки зрения?
Давайте вспомним хорошо знакомый нам эксперимент с двумя щелями[67]. В качестве источника излучения выберем электронную пушку, которая может направлять на лист с двумя щелями поток одинаковых электронов. Если щели будут достаточно узкими, то за
