Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика

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.