Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика - Карло Ровелли

Самое потрясающее то, что фотон может оказаться в верхнем детекторе даже если я его не видел. То есть фотон меняет свой путь только лишь потому, что «я подстерегал его» там, где он не проходил. Даже если я его не видел!

В учебниках по квантовой механике говорится, что если посмотреть, где проходит фотон, то вся его волновая функция ψ целиком переходит на один путь. Если вижу фотон справа, то его волновая функция ψ целиком переходит направо. Если наблюдаю и не вижу фотон справа, то волновая функция ψ целиком переходит налево. В обоих случаях никакой интерференции нет. Физики называют это коллапсом волновой функции, то есть в момент измерения волновая функция схлопывается в точку.

Такая вот «квантовая интерференция»: фотон находится на «двух путях». Если взглянуть на него, то он перескакивает на один путь и интерференция исчезает.

Это невозможно вообразить.

И все же это так: я видел собственными глазами. Непосредственное наблюдение этого явления озадачило меня при том, что я все это основательно изучал в университете. Попробуй и ты, уважаемый читатель, найти осмысленное объяснение такому поведению… Мы все пытаемся сделать это уже целое столетие. Не одного тебя все это ставит в тупик, и не ты один ничего не понимаешь. Вот почему Фейнман говорил, что никто не понимает квантовую механику. Если же кажется, что тебе все ясно, то, значит, неясно выразился я: как говорил Нильс Бор, «никогда не выражайтесь яснее, чем вы думаете»38.

Эрвин Шредингер проиллюстрировал эту загадку с помощью своего знаменитого мысленного эксперимента39: вместо фотона, который одновременно проходит по правому и левому пути, он предложил представить себе кота, который одновременно бодрствует и спит.

Эксперимент состоит в следующем: кота сажают в сейф с устройством, в котором с вероятностью ½ может произойти некое квантовое явление. Если это явление происходит, то устройство открывает флакон со снотворным, от которого кот засыпает. Согласно теории, волновая функция ψ кота представляет собой «квантовую суперпозицию» бодрствующего и спящего котов и остается таковой до тех пор, пока мы не пронаблюдаем кота[2].

Итак, кот находится в состоянии «квантовой суперпозиции» бодрствующего и спящего котов.

Это не то же самое, что сказать, что мы не знаем, бодрствует кот или спит. Разница в том, что мы имеем дело с интерференцией бодрствующего и спящего котов (подобно интерференции двух путей фотонов Цейлингера): этого не бывает ни в случае, когда кот бодрствует, ни в случае, когда он спит. Это бывает, когда кот находится в состоянии «квантовой суперпозиции» бодрствующего и спящего котов. Подобно интерференции в опыте Цейлингера, которая бывает, только если фотоны «проходят по обоим путям».

Для большой системы вроде кота предсказываемые теорией интерференционные эффекты очень трудно наблюдаемы40. Но это не повод усомниться в их реальности. Кот не бодрствует и не спит, а находится в состоянии квантовой суперпозиции бодрствующего и спящего котов…

Но что это значит?

Как чувствует себя кот, когда находится в состоянии квантовой суперпозиции бодрствующего и спящего котов? Если бы ты, читатель, был в состоянии квантовой суперпозиции бодрствующего и спящего себя, то что бы чувствовал? Это квантовая загадка.

2. Если понимать волновую функцию ψ буквально: множественные миры, скрытые переменные и физические коллапсы

Чтобы на банкете физической конференции разгорелась яростная дискуссия, достаточно ненароком спросить соседа: «Как, по-твоему, шредингерский кот бодрствует или спит?»

В 30-х годах, сразу же после создания квантовой теории, ее тайны были предметом бурных дискуссий. Вспомним хотя бы знаменитый многолетний спор Эйнштейна с Бором, продолжавшийся на множестве встреч и конференций и в многочисленных публикациях и письмах… Эйнштейн не хотел отказываться от реалистичного представления о явлениях, а Бор защищал концептуальные новшества теории41.

В 50-е годы стало принято игнорировать эту проблему: мощь теории была настолько впечатляюща, что физики привыкли применять ее во всех возможных областях, не задавая лишних вопросов. Но если не задаваться вопросами, то ничему и не научишься.

Оживление интереса к концептуальным проблемам началось уже в 60-е годы, и удивительным образом к этому подтолкнула культура хиппи, которых завораживали странности квантовой теории42.

В настоящее время такие споры ведутся среди философов и физиков и по их ходу высказываются взаимно противоречащие точки зрения. Появляются новые мысли, проясняются тонкие моменты. Ученые отказываются от некоторых представлений и идей, в то время как другие выходят на первый план. Те, что выдерживают критику, открывают новые возможности для понимания квантовой механики, но все это ценой необходимости признания поистине странных свойств. До сих пор нет полной ясности в вопросе о соотношении плюсов и минусов разных подходов.

Идеи со временем развиваются, и я надеюсь, что когда-нибудь мы придем к согласию, как это произошло в случае других, казавшихся неразрешимыми великих научных споров: движется ли Земля или неподвижна? (Движется.) Что такое теплота – это жидкость или быстрое движение молекул? (Движение молекул.) Существуют ли на самом деле атомы? (Да.) Состоит ли Вселенная из одной лишь энергии? (Нет.) Происходим ли мы с обезьянами от общего предка? (Да.) И так далее… Эта книга – просто фрагмент текущего диалога: я стараюсь рассказать о современном состоянии дискуссии и о направлении ее развития.

Перед тем как перейти в следующей главе к идеям, которые считаю наиболее убедительными, давайте сейчас резюмируем наиболее обсуждаемые альтернативные точки зрения. Их называют «интерпретациями квантовой механики». Все они так или иначе подразумевают необходимость принятия радикальных гипотез: это множественные вселенные, скрытые переменные, ненаблюдаемые явления и прочие диковинки. Никто тут не виноват – на крайние меры нас толкают странности теории. Так что остальная часть этой главы – это сплошные домыслы. Если вас они бесят, переходите сразу к следующей главе, где разговор пойдет о сути дела – реляционном подходе. Если же, наоборот, хотите получить развернутое представление о происходящей сейчас дискуссии и выдвигаемых аргументах, то вам будут интересны и домыслы… Так перейдем же к ним.

Среди ряда философов, физиков-теоретиков и космологов сейчас очень популярна «многомировая» интерпретация. Идея состоит в том, чтобы принять теорию Шредингера «буквально» и считать волновую функцию ψ не вероятностью, а реальной сущностью, которая описывает мир таким, какой он фактически есть. В определенном смысле это значит забыть о нобелевской премии Макса Борна, присужденной ему за как раз за истолкование волновой функции ψ исключительно как меры вероятности.

Если все действительно так обстоит, то шредингерский кот описывается совершенно реальной волновой функцией ψ. И следовательно, он действительно представляет собой суперпозицию бодрствующего и спящего котов – и оба они существуют в действительности. Но почему, если откроем сейф, то увидим там либо бодрствующего, либо спящего кота, но никак не обоих сразу?

А теперь не упадите. Дело, согласно интерпретации со множественными мирами, состоит в