В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность - Джон Гриббин

Квантовая теория – это величайшее достижение науки, гораздо более значительное и гораздо более применимое в прямом, практическом смысле, чем теория относительности. И все же она делает кое-какие странные предсказания. Мир квантовой механики действительно так необычен, что даже Альберт Эйнштейн счел его непонятным и отказался признавать все следствия теории, выведенные Шрёдингером и его коллегами. Как и многие другие ученые, Эйнштейн решил, что удобнее поверить в то, что уравнения квантовой механики были лишь своеобразным математическим трюком, который по случайности предоставил разумное объяснение поведению атомных и субатомных частиц, но в них содержится более глубокая истина, которая лучше соотносится с нашим обыденным чувством реальности. Ведь квантовая механика утверждает, что реального нет и мы не можем ничего сказать о поведении вещей, когда не наблюдаем их. Мифический кот Шрёдингера был призван прояснить различия между квантовым и обычным миром.

В мире квантовой механики перестают работать законы физики, знакомые нам из обычного мира. Вместо этого событиями управляют вероятности. Радиоактивный атом, например, может распасться и, скажем, выпустить электрон, а может и нет. Можно провести эксперимент, представив, что есть ровно пятидесятипроцентная вероятность того, что один из атомов сгустка радиоактивного вещества в определенный момент распадется и детектор зарегистрирует этот распад, если он произойдет. Шрёдингер, столь же расстроенный выводами квантовой теории, как и Эйнштейн, попытался продемонстрировать их абсурдность, представив, что такой эксперимент проходит в закрытой комнате или коробке, где находятся живой кот и флакон с ядом, причем если распад происходит, сосуд с ядом разбивается и кот погибает. В обычном мире вероятность смерти кота составляет пятьдесят процентов и, не заглядывая в коробку, мы можем смело заявить лишь одно: кот внутри либо жив, либо мертв. Но тут-то и проявляет себя странность квантового мира. В соответствии с теорией ни одна из двух возможностей, которые существуют для радиоактивного вещества, а следовательно, и кота, не представляется реальной, если не происходит наблюдения за происходящим. Атомный распад не случился и не не случился, кот не погиб и не не погиб, пока мы не заглянем в коробку, чтобы узнать, что произошло. Теоретики, которые принимают чистую версию квантовой механики, утверждают, что кот существует в некотором неопределенном состоянии, будучи при этом ни живым и ни мертвым, пока наблюдатель не заглянет в коробку и не увидит, как сложилась ситуация. Ничто не реально, если не установлено наблюдение.

Эта идея была ненавистна Эйнштейну, как и многим другим. «Бог не играет в кости», – сказал он, ссылаясь на теорию о том, что мир определяется совокупностью результатов по сути случайного «выбора» возможностей на квантовом уровне. Что же до нереальности состояния кота Шрёдингера, Эйнштейн не принял ее во внимание, предположив, что должен существовать некий глубинный «механизм», который определяет истинно фундаментальную реальность вещей. Он много лет пытался разработать опыты, которые помогли бы показать эту глубинную реальность в работе, но скончался раньше, чем вообще стало возможным провести подобный эксперимент. Возможно, это к лучшему, что он не дожил до того момента, когда стал ясен результат цепочки рассуждений, запущенной им.

Летом 1982 года группа ученых из университета Париж-Юг под руководством Алена Аспе завершила серию экспериментов, разработанных для выявления глубинной реальности, определяющей нереальный квантовый мир. Этой глубинной реальности – фундаментальному механизму – присвоили имя «скрытых параметров». Суть эксперимента заключалась в наблюдении за поведением двух фотонов, или частиц света, летящих в противоположных направлениях от источника. Полностью эксперимент описан в десятой главе, но в целом его можно считать проверкой реальности. Два фотона из одного источника могут фиксироваться двумя детекторами, которые измеряют свойство, называемое поляризацией. В соответствии с квантовой теорией этого свойства не существует, пока оно не измерено. В соответствии с идеей о «скрытых параметрах» каждый фотон обладает «реальной» поляризацией с момента своего возникновения. Так как два фотона вылетают одновременно, величины их поляризации зависят друг от друга, но природа зависимости, которая измеряется на деле, различается в соответствии с двумя представлениями о реальности.

Результаты этого важнейшего эксперимента однозначны. Зависимость, предсказанная теорией скрытых параметров, не была обнаружена, а зависимость, предсказанная квантовой механикой, – была. Более того, как и предсказывала квантовая теория, измерения, проведенные на одном фотоне, оказывали мгновенный эффект на природу другого фотона. Некоторое взаимодействие неразрывно связывало фотоны, хотя они и разлетались в разные стороны со скоростью света, а теория относительности утверждает, что ни один сигнал не может передаваться быстрее, чем свет. Эксперименты доказали, что в мире нет глубинной реальности. «Реальность» в обыденном смысле не подходит для размышления о поведении фундаментальных частиц, которые составляют Вселенную, причем эти частицы в то же время, похоже, неразрывно связаны друг с другом в некоторое неделимое целое, где каждая знает, что происходит с другими.

Поиск кота Шрёдингера – это поиск квантовой реальности. Из этого короткого обзора может показаться, что поиск этот не увенчался успехом, так как в квантовом мире реальности в привычном смысле слова не существует. Но история на этом не заканчивается, и поиск кота Шрёдингера может привести нас к новому пониманию реальности, которая превосходит – и в то же время включает в себя – общепринятое толкование квантовой механики. Однако искать придется долго, и начать нужно с ученого, который, возможно, испугался бы сильнее Эйнштейна, будь у него шанс узнать данные нами сейчас ответы на мучившие его вопросы. Изучая три столетия назад природу света, Исаак Ньютон и не подозревал, наверное, что он уже ступил на путь, ведущий к коту Шрёдингера.

Часть первая

Квант

Кто не шокирован квантовой теорией, тот ее не понял.

Глава первая

Свет

Исаак Ньютон изобрел физику, и на ней покоится вся остальная наука. Хотя Ньютон, конечно, отталкивался от работ других, именно его публикация трех законов движения и теории гравитации свыше трех столетий назад вывела науку на путь, который в конце концов привел к покорению космоса, лазерам, атомной энергии, генной инженерии, пониманию химии и всего остального. На протяжении двух столетий ньютоновская физика (то, что сейчас называют «классической физикой») правила миром науки. Новые революционные идеи продвинули физику в двадцатом веке гораздо дальше Ньютона, однако без тех двух столетий научного роста эти идеи могли бы никогда не появиться. Эта книга не является историей науки: она рассказывает о новой физике – квантовой, а не о тех классических идеях. Однако даже в работе Ньютона трехсотлетней давности уже есть признаки того, что изменения неизбежны: они содержатся не в его трудах о движении планет и их орбитах, а в его исследованиях природы света.

Идеи Ньютона о свете во многом связаны с его идеями о поведении твердых объектов и орбитах планет. Он осознал, что наше повседневное восприятие поведения объектов может быть ошибочным и что объект, или частица, которая свободна от каких-либо внешних воздействий, должна вести себя совершенно иначе, нежели такая же частица, находящаяся на поверхности земли. Так, наш повседневный опыт указывает, что вещи склонны оставаться на одном месте, пока их не толкнешь, а если перестать их толкать, они перестанут двигаться. Тогда почему же тела вроде планет или Луны не останавливаются, двигаясь по орбитам? Что-то подталкивает их? Вовсе нет. Планеты находятся в естественном состоянии, свободные от внешнего воздействия, а взаимодействие происходит с телами на поверхности земли. Если я попробую заставить ручку скользить по столу, моему подталкиванию будет противодействовать сила трения ручки о стол, и именно она заставит ручку остановиться, когда я перестану толкать ее. В этом состоит первый закон Ньютона – каждое тело остается в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, пока на него не окажет воздействия внешняя сила. Второй закон показывает, насколько велико воздействие силы – подталкивания – на тело. Такая сила изменяет скорость тела, а изменение скорости называется ускорением. Если разделить силу, воздействующую на тело, на его массу, то в результате получится ускорение, придаваемое телу этой силой. Обычно этот второй закон описывают немного по-другому: сила равна массе, умноженной на ускорение. А третий закон Ньютона показывает, как тело реагирует на внешнее воздействие: на каждое действие существует равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Если ударить ракеткой по теннисному мячу, то сила воздействия ракетки на теннисный мяч будет в точности равна силе, действующей обратно на ракетку. На ручку, которая лежит на столе, действует сила гравитации, притягивающая ее вниз, но в то же время стол оказывает на нее равное воздействие в противоположном направлении. Сила взрыва, которая выталкивает газы из камеры сгорания ракеты, создает равную и противоположную по направлению силу противодействия, действующую на саму ракету и толкающую ее в противоположном направлении.