Глаз разума

Представьте себе водопроводный кран с двумя ручками, для холодной и для горячей воды, каждую из которых вы можете поворачивать постепенно. Из крана вытекает вода — но эта система имеет странную особенность: вода либо совершенно холодная, либо совсем горячая, без промежуточных градаций. Эти состояния называются “собственными температурными состояниями” воды. Единственный способ определить, в котором из двух состояний находится вода — сунуть руку под струю. Правда, в ортодоксальной квантовой механике дело обстоит посложнее. Именно ваш акт засовывания руки под струю приводит воду в то или иное температурное состояние. Вплоть до этого момента говорится, что вода находится в ситуации наложения собственных температурных состояний.

В зависимости от положения ручек вероятность появления из крана холодной воды будет варьироваться. Разумеется, повернув только ручку ГОР, вы всегда получите горячую воду, а повернув ручку ХОЛ, вы можете быть уверены, что вода будет холодной. Однако, открыв оба крана, вы получите наложение температурных состояний. Много раз поэкспериментировав с определенным положением кранов, вы можете измерить вероятность получения холодной воды для этого положения. После этого вы можете поменять положение кранов и начать все сначала. При некоторых положениях окажется, что вероятности появления холодной и горячей воды совпадают. Ситуация сравнима с подбрасыванием монетки. (Этот квантовый водопроводный кран, к несчастью, напоминает краны во многих ванных комнатах.) В конце концов у вас накопится столько данных, что вы сможете нарисовать график вероятности появления холодной воды в зависимости от положения кранов.

Таковы квантовые феномены. Физики могут вертеть ручки и ставить системы в положение наложения собственных состояний, аналогичное наложению горячей и холодной воды в нашей аналогии. Пока в системе не произведены измерения, физики не могут узнать, в каком из собственных положений находится система. Более того, можно доказать, что в некотором фундаментальном смысле сама система “не знает”, в каком из собственных состояний она находится и решает это — наугад — только в тот момент, когда рука наблюдателя, так сказать, “проверяет температуру воды”. Вплоть до момента измерения система ведет себя так, словно не находится ни в одном из собственных состояний. Для практических и теоретических целей — для любых целей — можно считать, что так оно и есть.

Вы можете вообразить множество экспериментов с водой из квантового крана, позволяющих вам узнать ее температуру, не суя руку под струю (мы предполагаем, что видимые признаки, такие, как пар, при этом отсутствуют). Например, вы можете включить стиральную машину, наполнив ее водой из-под крана. Но и в этом случае вы не узнаете, сел ли ваш шерстяной свитер, пока не откроете дверцу машины (измерение, произведенное сознательным наблюдателем). Заварите чай водой из-под крана. Вы не узнаете, холодный или горячий он получился, пока не попробуете его (снова взаимодействие с сознательным наблюдателем). Прикрепите термометр под струей воды. Пока вы не увидите ртутный столбик, вы не можете знать температуру воды. Вы не можете быть более уверены в положении столбика термометра, чем в том, что вода имеет определенную температуру. Критический момент здесь состоит в том, что свитер, чай и термометр, не имея статуса сознательных наблюдателей, ведут себя так же, как и вода, и испытывают наложение собственных состояний — севший-не севший, холодный-горячий, столбик высоко-столбик низко.

Может показаться, что эта проблема не имеет ничего общего с физикой, и напоминает древние философские загадки типа “Шумит ли падающее в лесу дерево, если рядом нет никого, кто услышал бы этот шум”? Однако головоломки квантовой механики принципиально отличаются от подобных загадок: наложение собственных состояний имеет реальные и видимые последствия, диаметрально противоположные тем, которые бы вытекали из системы, в действительности находящейся в собственном состоянии, но “прячущей” его от наблюдателя до момента измерения. Иными словами, струя может-быть-холодной-может-быть-горячей воды будет вести себя иначе, чем струя горячей или холодной воды, поскольку обе альтернативы взаимодействуют друг с другом в смысле интерференции волн (нечто подобное происходит, когда одна часть волны от скоростного катера “гасит” другую, отраженную от пристани, или когда скачки по воде плоского камешка создают волны, причудливо перекрещивающиеся друг с другом на гладкой поверхности озера). Оказывается, что подобные эффекты — только статистические и становятся заметны лишь после многократных стирок свитера или завариваний чая. Интересующиеся читатели могут прочесть прекрасное изложение этой разницы в книге “Характер физического закона” Ричарда Фейнмана.