Квантовая физика, время, сознание, реальность

Знаменитый эксперимент

Согласно классической физике, исследуемый объект может находиться в каком-то одном из множества возможных состояний. Однако он не может находиться в нескольких состояниях одновременно, т. е. нельзя придать никакого смысла сумме возможных состояний. Если я нахожусь сейчас в комнате, я, стало быть, не в коридоре. Состояние, когда я одновременно нахожусь и в комнате, и в коридоре, лишено смысла. Я ведь не могу одновременно находиться и там, и там! И не могу одновременно выйти отсюда через дверь и выскочить через окно. Я либо выхожу через дверь, либо выскакиваю в окно. Как видно, такой подход полностью согласуется с житейским здравым смыслом.

Однако в квантовой физике такая ситуация является лишь одной из возможных. Состояния системы, когда возможен либо один вариант, либо другой, в квантовой механике называют смешанными. Это состояния, которые нельзя описать с помощью волновой функции из-за неизвестности компонент, обусловленных её взаимодействием с окружением. Они описываются т. н. матрицей плотности. В этом случае можно говорить только о вероятности различных исходов экспериментальных измерений. Волновую функцию часто называют ещё вектором состояния.

Сейчас хорошо известно, что в природе имеет место и совершенно другая ситуация, когда объект находится в нескольких состояниях одновременно, т. е. имеет место наложение двух или большего числа состояний друг на друга. И не просто наложение, а наложение без какого-либо взаимного влияния. Например, экспериментально доказано, что одна частица может одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель — это одно состояние. Та же частица, проходящая через вторую щель — другое состояние. И эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний! Т. е. частица одновременно проходит через две щели! В таком случае говорят о суперпозиции состояний.

Речь идет о квантовой суперпозиции (когерентной суперпозиции), т. е. о суперпозиции состояний, которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения. Т. е. это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих с классической точки зрения) состояний, которая не может быть реализована в классической физике. Далее под словом "суперпозиция" понимается именно квантовая суперпозиция.

Наличие этих двух типов состояний — смеси и суперпозиции — является узловым для понимания квантовой картины мира. Другой важной для нас темой будут условия перехода суперпозиции состояний в смесь и наоборот. Эти и другие вопросы мы разберём на примере знаменитого двухщелевого эксперимента.

Для начала возьмём пулемёт, и проведём мысленно эксперимент, показанный на рис. 1.

Он не очень хорош, наш пулемёт. Он выпускает пули, направление полёта которых заранее неизвестно. То ли направо они полетят, то ли налево…. Перед пулемётом стоит броневая плита, а в ней проделаны две щели, через которые пули свободно проходят. Далее стоит "детектор" — любая ловушка, в которой застревают все попавшие в неё пули. Когда нужно, можно пересчитать число пуль, застрявших в ловушке на единицу её длины, и разделить её на полное число выпущенных пуль. Или на время стрельбы, если скорость стрельбы считать постоянной. Эту величину — число застрявших пуль на единицу длины ловушки в окрестности некоторой точки Х, отнесённой к полному числу пуль, мы будем называть вероятностью попадания пули в точку Х. Заметим, что мы можем говорить только о вероятности — ведь мы не можем сказать определённо, куда попадёт очередная пуля. Ведь пуля, даже попав в дыру, может срикошетить от её края и уйти вообще неизвестно куда.

Давайте мысленно проведём три опыта: первый, когда открыта первая щель, а вторая закрыта, второй — когда открыта вторая щель, а первая закрыта. И, наконец, третий опыт, когда обе щели открыты.

Результат нашего "эксперимента" показан на этом же рисунке, на графике. Вероятность в нём отложена вправо, а координата — это и есть положение точки X. Синяя кривая показывает распределение вероятности P1 попавших в детектор пуль при открытой первой щели, зелёная кривая — вероятность попадания в детектор пуль при открытой второй щели, и красная кривая — вероятность попадания в детектор пуль при обеих открытых щелях. Сравнив величины P1, P2 и P12, мы можем сделать вывод, что вероятности просто складываются,

P1 + P2 = P12.

Итак, для пуль действие двух щелей складывается из действия каждой щели в отдельности.

Представим себе такой же опыт с электронами, схема которого показана на рис. 2.

Возьмём электронную пушку, типа тех, которые стоят в каждом телевизоре, и поместим перед ней непрозрачный для электронов экран с двумя щелями. Прошедшие через щели электроны можно регистрировать различными методами: с помощью сцинтиллирующего экрана, попадание электрона на который вызывает вспышку света, фотоплёнки или с помощью счётчиков различных типов, например, счётчика Гейгера. регистрирует прохождение электрона сквозь неё (рис. 3).

Результаты измерений для электронов в случае, когда одна из щелей закрыта, выглядят вполне разумно, и весьма походят на наш опыт с пулемётной стрельбой (синяя и зелёная кривая на рисунке). А вот для случая, когда обе щели открыты, мы получаем совершенно неожиданную кривую P12, показанную красным цветом. Она явным образом не совпадает с суммой P1 и P2! Получившуюся картину называют интерференционной картиной от двух щелей.

Давайте попробуем разобраться, в чём тут дело. Если мы исходим из гипотезы, что электрон проходит либо через щель 1, либо через щель 2, то в случае двух открытых щелей мы должны получить сумму эффектов от одной и другой щели, как это имело место в опыте с пулемётной стрельбой. Вероятности независимых событий складываются, и в этом случае мы бы получили P1 + P2 = P12.

Может, мы не учли какой-нибудь существенный эффект, и суперпозиция состояний здесь совсем ни при чём? Может быть, у нас очень мощный поток электронов, и разные электроны, проходя через разные щели, как-то искажают движение друг друга? Для проверки этой гипотезы надо модернизировать электронную пушку так, что электроны вылетали из неё достаточно редко. Скажем, не чаще, чем раз в полчаса. За это время каждый электрон уж точно пролетит всё расстояние от пушки до детектора и будет зарегистрирован! Так что никакого взаимного влияния летящих электронов друг на друга уж точно не будет!

Сказано — сделано. Мы модернизировали электронную пушку и полгода провели возле установки, проводя эксперимент и набирая необходимую статистику. Каков же результат? Он ничуть не изменился.

Но, может быть, электроны каким-то образом блуждают от отверстия к отверстию и только потом достигают детектора? Это объяснение также не проходит: на кривой P12 при двух открытых щелях есть точки, в которые попадает значительно меньше электронов, чем при любой из открытых щелей. И наоборот, есть точки, количество электронов в которых более чем вдвое превышает сумму электронов, прошедших из каждой щели по отдельности.

Стало быть, утверждение о том, что электроны проходят либо сквозь щель 1, либо сквозь щель 2, неверно. Они проходят через обе щели одновременно. И очень простой математический аппарат, описывающий такой процесс, даёт абсолютно точное согласие с экспериментом, с тем, что показано красной линией на графике.

Чем же отличаются пули от электронов? С точки зрения квантовой механики, ничем. Только, как показывают расчёты, интерференционная картина от рассеяния пуль характеризуется столь узкими максимумами и минимумами, что никакой детектор их зарегистрировать не в состоянии. Расстояния между этими минимумами и максимами неизмеримо меньше размеров самой пули. Так что детекторы будут давать усреднённую картину, показанную красной кривой на рис. 1.

Давайте теперь видоизменим наш опыт так, чтобы можно было "проследить" за электроном, проследить, через какую щель он проходит. Поставим возле одной из щелей детектор, который регистрирует прохождение электрона сквозь неё (рис. 3).

В этом случае, если пролётный детектор регистрирует прохождение электрона через щель 2, мы будем знать, что электрон прошёл через эту щель, а если пролётный детектор не даёт сигнала, а основной детектор электронов даёт сигнал, то ясно, что электрон прошёл через щель 1. Можно поставить и два пролётных детектора, на каждую из щелей, но это никак не скажется на результатах нашего опыта. Конечно, любой детектор, так или иначе, исказит движение электрона, но будем считать это влияние не очень существенным. Для нас ведь куда более важен сам факт регистрации того, через какую из щелей проходит электрон!

Как вы думаете, какую картину мы увидим? (мнения зала разделились: большая часть аудитории считает, что результат опыта не изменится, но несколько человек считают, что вероятности сложатся, и результат будет таким же, как в опыте с пулемётной стрельбой).

Результат этого эксперимента показан на рис. 3, качественно он ничем не отличается от опыта с пулемётной стрельбой. Таким образом, мы нашли, что когда мы смотрим на электрон, то обнаруживаем, что он проходит либо через одно отверстие, либо через другое. Суперпозиции этих двух состояний нет! А когда мы не него не смотрим, он одновременно проходит через две щели, и распределение их на экране совсем не такое, чем тогда, когда мы на них смотрим!

Может быть, здесь дело в том, что наш пролётный детектор уж слишком сильно искажает движение электронов? Проведя дополнительные опыты с различными пролётными детекторами, по-разному искажающими движение электронов, мы заключаем, что роль этого эффекта не очень существенна. Существенным оказывается только сам факт фиксации состояния объекта!