Кот одновременно живой и мертвый

Начинаем представление квантовой физики с самого абсурдного примера…

Я не могу описать [это]… но я узнаю это, когда увижу.

Судья Верховного суда США Поттер Стюарт (не по вопросу измерений)

Как будто головоломные концепции теории относительности оказались недостаточно разрушительными для XX века, сразу после их появления произошла еще одна мучительная, но вместе с тем значимая революция – рождение квантовой физики. Одним из ее основателей был Альберт Эйнштейн; именно ему принадлежит вывод о том, что энергия света квантована и ее можно регистрировать только своеобразными пакетами, которые мы сегодня называем фотонами [172]. Но квантовая физика завоевала себе место под солнцем не так быстро, как теория относительности. Она отличалась такими странными и загадочными чертами, что даже сами ее изобретатели не прекращали споров и дебатов о том, что она означает, как ее следует интерпретировать и не окажется ли она всего лишь временной аппроксимацией[173], притом что более полное описание скрытой под ней реальности еще предстоит открыть. Эти дебаты не утихают до сего дня.

Проблемы этой теории вытекают из самой ее формулировки. Квантовая физика постулирует, что окружающий нас реальный мир описывается чем-то расплывчатым и эфемерным, к тому же принципиально неизмеримым, называемым амплитудой . Амплитуда может выражаться обычным числом; комплексным числом, имеющим и действительную, и мнимую составляющие; или набором чисел, называемым волновой функцией . Квантовая физика постулирует, что амплитуда призрачна, недостижима и напоминает маячащий на заднем плане дух, который воплощает в себе всю реальность. Однако даже если амплитуда точно известна, вы не сумеете предсказать результат измерения, а можете лишь назвать вероятность того, что измерение даст какой-то конкретный результат.

Все это звучит загадочно и неопределенно, хотя именно эти принципы используются сегодня при разработке электроники, которая оживляет наши смартфоны, планшеты, телевизоры, цифровые камеры и компьютеры. Буквально каждый физик сталкивается с призрачными амплитудами и волновыми функциями. Большинство ученых просто игнорируют не поддающиеся измерению аспекты квантовой теории и продолжают делать свое дело.

Большинство, но не Эйнштейн. Все его прорывные открытия в физике сделаны в результате того, что он сосредоточивал внимание на парадоксальных результатах, необъясненных явлениях и вообще на вещах, которые для него лично не имели физического смысла. Новая квантовая физика точно укладывалась в эти категории – она была более загадочной, чем замедление времени и уменьшение длины; более странной, чем черные дыры; более невообразимой, чем обратный ход времени. Ее, возможно, даже сейчас самый огорчительный аспект можно проиллюстрировать историей, сочиненной Эрвином Шрёдингером[174] – физиком, имя которого известно каждому студенту по важнейшему уравнению Шрёдингера . Он был коллегой и союзником Эйнштейна и разделял его обеспокоенность в связи с квантовой физикой[175].

Кот Шрёдингера

Шрёдингер придумал яркий пример в поддержку эйнштейновского утверждения о том, что квантовая физика фундаментально несостоятельна. Ситуация проста, хотя и намеренно жестока; скорее всего, это сделано для того, чтобы привлечь ваше внимание и заставить как следует оценить когнитивный диссонанс, который порождает эта история.

Шрёдингер предлагает представить кота в коробке. Кроме кота, там имеется один радиоактивный атом, распад которого с вероятностью 50 % должен произойти в течение ближайшего часа. Если он распадется, то запустит механизм, убивающий кота. Для наглядности Шрёдингер предлагает молоток, разбивающий ампулу с синильной кислотой. Хотите увидеть изображение? Поищите в сети словосочетание «кот Шрёдингера».

Если вы откроете коробку ровно через час, то с вероятностью 50 % увидите мертвого кота и с вероятностью 50 % – живого. Кажется, все довольно просто, хотя и негуманно. (Не пытайтесь проделать это дома.)

Что здесь представляет загадку и что, собственно, беспокоило Эйнштейна и Шрёдингера, так это то, как ситуация описывается на языке квантовой физики. Согласно стандартному подходу, которым пользуются практически все физики, амплитуда[176], описывающая атом и кота, эволюционирует на протяжении всего часа. Первоначально она описывает живого кота и целый, нераспавшийся атом. Но с течением времени амплитуда меняется. В конце часа она состоит из двух равных частей: та, что описывает мертвого кота и фрагменты распавшегося атома, накладывается на ту, в которой кот жив, а атом цел. Пока кто-нибудь не заглянет в коробку, кот одновременно и мертв, и жив, то есть находится в суперпозиции (наложении) двух состояний. Согласно этим правилам, акт открывания коробки и заглядывания внутрь представляет собой измерение , а при измерении волновая функция сразу же коллапсирует , и у вас остается только одна реальность вместо суперпозиции двух. Кот, когда на него смотрят, либо совершенно жив, либо совершенно мертв, он больше не может пребывать в двух состояниях одновременно. Но упрощение ситуации происходит только в тот момент, когда вы заглядываете в коробку.

Я попросил мою жену Розмари (она архитектор) прочесть эту главу. Часть текста, посвященная коту Шрёдингера, аккурат до этого места, показалась ей совершенно невероятной. Она наотрез отказалась поверить, что какой бы то ни было ученый мог всерьез постулировать кота, который был бы одновременно живым и мертвым. Сама концепция настолько абсурдна, настолько нелепа, что она остановилась на этом месте и отказалась читать дальше, пока я не исправлю это глупое описание, из которого у читателя может сложиться впечатление, что в квантовой механике в самом деле содержится такая чепуха.

Спросите об этом любого физика. Именно так все и обстоит. Можете утешиться: вас беспокоит то же самое, что мучило Эйнштейна и Шрёдингера и что заставило последнего придумать этот безумный пример. Вот что я сказал Розмари, и она согласилась продолжить чтение, хотя, может, и против собственного желания. (А еще она разрешила описать ее впечатления, в утешение другим читателям.)

Шрёдингер и Эйнштейн считали историю про кота типичным образцом reductio ad absurdum – полемического приема, известного как «доведение до абсурда»; они были уверены, что в этом случае нелепый вывод наглядно продемонстрирует: квантовая физика противоречит здравому смыслу, а потому неверна. Пока кто-нибудь не посмотрит – кот одновременно и жив, и мертв? Да ладно вам! По мнению ученых, этот пример должен был окончательно решить дело, прекратить все споры и продемонстрировать, что квантовая физика фундаментально ущербна.

Макс Борн[177]и Вернер Гейзенберг[178], зачинатели и активные сторонники вероятностной интерпретации, отказались признать ошибку. Да, история кота Шрёдингера звучит нелепо, но точно так же звучали и рассказы о замедлении времени и сжатии пространства, когда их впервые предложил Эйнштейн. Даже теория о том, что обычное вещество состоит из атомов, когда-то не укладывалась в рамки здравого смысла. В истории с котом нет никаких противоречий – просто сама ситуация идет вразрез с нашими интуитивными представлениями.

Описанный здесь спор произошел около 80 лет назад. И как же обстоит дело сегодня? Вот замечательный ответ: практически все физики согласны с точкой зрения Борна−Гейзенберга. Тем не менее абсурдность ситуации с котом Шрёдингера так и не получила удовлетворительного объяснения. Как же современные физики реагируют на reductio ad absurdum – этот нелепый пример? Никак. Кот Шрёдингера и сегодня не дает им покоя, если вдруг о нем вспоминают, но чаще физики предпочитают игнорировать эту проблему и двигаться дальше.