Взгляд со стороны. Естествознание и религия

Спор между Бором и Эйнштейном остался незавершённым – физики-теоретики до настоящего времени не смогли создать непротиворечивую квантовую теорию измерения.

Одним из центральных понятий в квантовой механике является квантовая суперпозиция. В квантовой суперпозиции система может находиться не только в одном конкретном состоянии, но и одновременно в двух или более состояниях. Классический пример квантовой суперпозиции – двухщелевой эксперимент, названный известным физиком-теоретиком Ричардом Фейманом в «Феймановских лекциях по физике» явлением «… которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится сама суть квантовой механики».

Первым двухщелевой эксперимент провёл в начале XIX века английский учёный Томас Юнг. Суть эксперимента в следующем. Имеется источник частиц, например электронов, и пластинка с двумя тонкими щелями; сзади установлен экран, на котором пролетающие через щели частицы оставляют следы.

Если мы закроем первую щель, увидим на экране тонкую полосу напротив второй щели. Если закроем вторую щель и откроем первую, полоса появится напротив первой щели. Открыв обе щели, мы будем наблюдать вместо полосы против одной из щелей интерференционную картину, что свидетельствует о прохождении частицы одновременно через обе щели. Как известно, математическое описание этого процесса полностью соответствует экспериментальным данным.

Поставив около каждой щели детектор, мы обнаружим, что при прохождении электрона через экран срабатывает только один из детекторов и интерференция не наблюдается. Суперпозиции состояний нет. Наблюдение перевело объект из суммы неопределённых квантовых состояний в одно наблюдаемое классическое состояние.

Для объяснения эксперимента учёные предположили, что состояние частицы, обладающей волновыми свойствами, можно описать волновой функцией. Если частица прошла через одну щель, у неё одно состояние и одна волновая функция. Если частица прошла через другую щель, у неё другое состояние и другая волновая функция. При двух открытых щелях, согласно принципу квантовой суперпозиции, частица находится в суперпозиции первого и второго состояний (одновременно проходит через две щели). При этом её волновая функция – функция двух волновых функций, вызывающих интерференционную картину.

Принцип квантовой суперпозиции утверждает, что если квантовый объект, например электрон, может находиться в состоянии 1 и в состоянии 2, то он может находиться и в суперпозиции состояний – одновременно в состоянии 1 и 2. Суперпозиция – это не совокупность двух классических состояний частицы, а нелокализованное в пространстве состояние, в котором электрон как классический объект не существует.

Суперпозиция состояний обходит стороной тот факт, что, открывая вторую щель, мы изменяем поведение электрона, когда он проходит через первую щель. При двух открытых щелях каждая из них влияет друг на друга.

В 2016 году международная группа экспериментаторов, возглавляемая американским профессором физики Робертом Бойдом, экспериментально подтвердила, что при прохождении фотона через три щели вклад в результирующую интерференционную картину вносят и невозможные для классической физики траектории. Это, например, траектории, по которым частица входит в одну щель, затем движется назад, проходит через другую щель и изменив траекторию выходят через третью щель.

Состояние частицы после прохода трёх щелей не эквивалентно сумме состояний её прохода в отдельности через каждую из щелей при закрытых двух других. Трёхщелевой эксперимент показал некорректность распространённого понимания принципа квантовой суперпозиции.

В 1942 году Ричард Фейнман предложил альтернативное описание квантовой механики через интеграл по траекториям. В его основу вместо уравнения Шрёдингера для волновой функции определено не уравнение, а бесконечное интегрирование по всем возможным траекториям. Фейнман принимал во внимание не только классические траектории при передвижении частицы из одной точки в другую, но и все без исключения траектории, соединяющие эти точки. При этом каждая из траекторий имела свой «вес». Наибольший вклад давали траектории, близкие к тем, которые предсказывает классическая физика[45].

Такой подход позволил наглядно связать квантовое и классическое описание движения. Интеграл по траекториям можно свести к дифференциальному уравнению Шрёдингера, поэтому первичной остаётся всё-таки волновая функция, трактовка которой сводится к перезаписи уравнения Шрёдингера[46].

В нашем представлении прохождение частицы по всем траекториям одновременно имеет физический смысл в том случае, если предположить, что в данный момент времени частица находиться или в состоянии частицы, или в состоянии волны. Движущаяся частица пребывает попеременно в каждом из этих состояний (см «Квантовый мир и движение»).