Шесть невозможностей. Загадки квантового мира

Ключ к этой идее состоит в том, что, хотя уравнения квантовой физики описывают вероятность обнаружения системы в том или ином состоянии, они ничего не говорят о том, как системы совершают переход из одного состояния в другое. В уравнениях нет ничего, что описывало бы схлопывание волновой функции. И ни один эксперимент ни разу не зафиксировал ни одной волновой функции в процессе схлопывания. Еще в 1954 г. Алан Тьюринг указал, что квантовая система, за которой постоянно «наблюдают», никогда не изменится. Он писал:

Несложно показать при помощи стандартной теории, что, если некую систему начинают наблюдать в собственном состоянии (eigenstate)[19] некоторого наблюдаемого и измерения этого наблюдаемого проводятся N раз в секунду, тогда, даже если состояние системы не стационарно, вероятность того, что она, скажем, через одну секунду будет находиться в том же состоянии, стремится к единице по мере того, как N стремится к бесконечности; то есть непрерывные наблюдения будут препятствовать всякому движению»[20].

Физики по-разному пытаются это объяснить. Вот одна из версий. Представьте себе систему во вполне определенном состоянии с волной вероятности, распространяющейся наружу и постепенно повышающей вероятность обнаружения этой системы в некотором ином состоянии. Если подождать подольше, то – взгляните-ка! – вы, вероятно, сможете увидеть ее в другом состоянии. Но если вы бросите на нее взгляд очень быстро, то у вероятности просто не будет времени на изменения и система останется в том же состоянии. Она не может находиться в промежуточном состоянии, потому что промежуточных состояний не существует. Значит, волне придется начать распространение заново, с той же позиции. Смотрите на систему достаточно часто – и она никогда не изменится. Квантовый «чайник» никогда не закипит, если вы будете все время на него смотреть. Так предсказывал Тьюринг, и его предсказание уже проверено экспериментально.

Все такие эксперименты содержат вариации одной темы. Как правило, «чайник» представляет собой несколько тысяч ионов какого-нибудь элемента, например бериллия, захваченных электрическим и магнитным полями. Ион – это атом, лишенный одного или нескольких электронов и получивший в результате положительный заряд, благодаря чему им легко манипулировать при помощи таких полей. Ионы заранее подготовлены в таком энергетическом состоянии, из которого они «хотят» уйти, опустившись на более низкий энергетический уровень. За состоянием системы можно наблюдать при помощи хитроумной методики с применением лазеров, позволяющей определить, сколько ионов перешло в основное состояние за некоторый промежуток времени.

В одном типичном эксперименте через 128 мс оказалось, что в основное состояние перешла половина ионов. Если лазер «смотрел» на систему через 64 мс после начала, то перешедшими в основное состояние оказывалась лишь четверть ионов. Если же лазер вспыхивал каждые 4 мс и проверял систему 64 раза за 256 мс, то через этот промежуток времени оказывалось, что почти все ионы находятся в своем исходном состоянии. В категориях вероятностей, соответствующих нашей волновой функции, этот отказ «закипать» объясняется тем, что через 4 мс вероятность того, что некий ион уже перешел в основное состояние, составляет всего 0,001%, так что 99,99% ионов должны по-прежнему оставаться на уровне 1. И это верно для каждого интервала в 4 мс. Чем короче интервал между наблюдениями, тем сильнее описанный эффект. Волновые функции никогда не схлопываются, если за ними наблюдают. Тогда почему мы должны считать, что они вообще схлопываются? Бэллентайн утверждает, что они этого и не делают и что описанное выше явление – экспериментальное свидетельство в пользу ансамблевой интерпретации.

Однако у ансамблевой интерпретации есть одна серьезная проблема. Она явным образом утверждает, что волновая функция не применима к отдельным квантовым объектам и что никакой суперпозиции состояний не существует. Но экспериментаторы сегодня спокойно, в рабочем порядке манипулируют отдельными квантовыми объектами, например электронами, в ситуациях (таких как квантовые вычисления), где они, кажется, следуют описанию волновой функции, а кольцо SQUID вроде бы способно демонстрировать единичный макроскопический квантовый объект (электронная волна бежит по нему одновременно в обоих направлениях), находящийся в суперпозиции.

Прежде я думал, что это смертельный удар для идеи ансамблевой интерпретации, но Ли Смолин оживил ее в новом воплощении.