За гранью реальности. Объяснение необъяснимого

Физик Эрвин Шредингер для иллюстрации редукции волновой функции предложил следующий мысленный эксперимент. Он просто «напрямую усилил» квантовый эффект, раздув его до уровня макромира. Представьте себе полупрозрачное зеркало, то есть такое, через которое фотон пролетает с вероятностью S. За зеркалом – фотоумножитель, который приводит в действие реле, управляющее молоточком. Молоточек падает и разбивает ампулу с синильной кислотой. Ампула находится в черном ящике с крышкой. В ящике сидит черный кот. Вся установка закрыта от нас, мы видим только черный ящик. Пускаем фотон.

Состояние фотона описывается суперпозицией двух его состояний: пролетел через зеркало + не пролетел через зеркало.

Если пролетел – кот мертв.

Если не пролетел – кот жив.

Пока мы не открыли крышку ящика, мы не узнаем, жив ли кот. С точки зрения квантовой механики кот находится в суперпозиции – в «неопределенном» состоянии. В состоянии «ни жив – ни мертв». Или «жив-мертв». То есть Шредингер своей «котовой» установкой перенес квантовую неопределенность на макромир.

Но мы-то с вами знаем, что кот не может быть одновременно в двух состояниях! Однако по формулам получается, что может. И только процесс наблюдения (снял крышку, посмотрел) переводит кота в определенное состояние. Так в какой момент произошла редукция волновой функции? В момент, когда сняли крышку? В момент, когда фотон пролетал через зеркало? Или в момент, когда мозг решал: жив кот или мертв?..

И вообще, не является ли редукция волновой функции (схлопывание всех виртуальных состояний в одно реальное) лишь кажущимся феноменом? Американский физик Хью Эверетт предложил такую модель мира, которая в редукции, схлопывании волновой функции не нуждается. Пролетел или не пролетел фотон через зеркало – даже вопрос так не стоит. Если есть суперпозиция из двух возможных вариантов, реализуются оба! И пролетел и не пролетел. В одной Вселенной пролетел, в другой нет. Каждый раз, когда Вселенной нужно решать, как поступить, она раздваивается. Получается два мира. В одном фотон пролетел и, соответственно, кот мертв, в другой – не пролетел и, соответственно, кот жив. А поскольку в микромире каждое мгновение происходят мириады квантовых событий, Вселенные «ветвятся» постоянно, ежемгновенно. Каждая из них отличается от другой «на квант». То есть в мире, в разных вселенных реализуются все возможности.

Красивая теория. Только непроверяемая. Но раз дядя физик говорит, значит, много думал.

Еще дальше Эверетта в эти дебри зашел московский физик Михаил Менский. Вот его рассуждения. Представьте себе горошину. Она может лежать либо в коробочке А1 с вероятностью С1 либо в коробочке А2 с вероятностью С2. Открываем левую коробочку. Есть горошина! Значит, в правой коробочке ее нет! И наоборот.

Если речь идет о горошине, исследователь делает вывод: горошина была в коробке А1. Что это значит? Что раз горошину мы там нашли, значит, она там и была. В квантовой механике, как вы уже убедились, все не так. Там именно измерение присваивает свойство – это и есть редукция волновой функции. То есть, если мы измерением нашли горошину-частицу в левой коробочке, это вовсе не значит, что она там была. Это значит, что мы ее там просто зафиксировали. А где же она была до фиксации? В суперпозиции! Одновременно и в А1 и в А2. То есть ее состояние можно описать суммой: А1 + А2.

Точнее, С1А1 + С2А2 то есть с вероятностью С1 частица находится в коробке А1 плюс с вероятностью С2 она одновременно находится в коробке А2. С точки зрения математики состояние системы описывается вектором в комплексном пространстве, что, впрочем, нам сейчас не очень важно. А после измерения частица-горошина оказывается не в суперпозиции, а в одном из состояний. Суперпозиция исчезла, система выбрала себе конкретное состояние. Произошла редукция волновой функции.

Понятие редукции волновой функции физики ввели для того, чтобы привычным образом описать произошедшее, то есть переход от квантового мира к миру классическому. Но ведь и прибор, и наблюдатель тоже состоят из квантов, только из огромного их множества. То есть это квантовая система, только большая. Стало быть, она должна вести себя по законам квантовой механики.

Законы квантовой механики описываются формулами. А с точки зрения формул никакой редукции не происходит – система как была квантовой, так и осталась. То есть суперпозиция должна сохраниться.

Введем в систему наблюдателя со своим прибором. До измерения наблюдатель был в состоянии Ф0, когда он не мог сказать ничего определенного о системе. То есть исходное состояние всей системы такое: Ф0(С1А1 + С2А2).

После измерения состояние наблюдателя изменилось. Если частица обнаружится в коробочке А1, то состояние наблюдателя обозначим Ф1. А если частица в коробке А2, то наблюдатель пришел в состояние Ф2. То есть после измерения у нас получится: Ф1С1А1 + Ф2С2А2.

Итоговая формула такая:

Ф0(С1А1+С2А2) = Ф1С1А1+Ф2С2А2