Про эту вашу физику

Глава 12 Кот Шрёдингера и параллельные миры

В предыдущей лекции мы узнали, что там, на расстояниях меньше микроскопических, происходит какая-то фигня. Материя перестает быть материей, она размазывается по пространству в суперпозиции своих состояний и летает повсюду в виде вероятностей, параметры которых напоминают волну. И всё это пресекается, когда такая волна сталкивается с препятствием, вносящим возмущение в систему, — это физики не очень умно назвали «наблюдением», дав зеленый свет «специалистам» по магии и высшим разумам, которые, видите ли, наблюдают нас, разрешая нам существовать.

Все это приводило в ужас тогдашних физиков старой школы. Во главе хейтеров квантмеха стоял Эйнштейн, который не только троллил молодых теоретиков, но собирал мемасики и демотиваторы, раздражающие Бора, Гейзенберга и других. Особенно нравилась Эйнштейну шутка своего дружбана Эрвина Шрёдингера. Хотя тот и написал формулу имени себя, показывающую как ведет себя квантовая система во времени и пространстве, но размышления о суперпозиции и ее разрушении через наблюдение ему чего-то не нравились. Не то, чтобы Шредингер был с этим не согласен, однако он призывал подумать, мол, нормальна ли такая ситуация, в которой частица пролетает через обе щели, а потом при «наблюдении» пролетает только через одну? Квантовая система должна быть более наглядной и понятной! — требовал он. Давайте шагнем чуть-чуть повыше уровня элементарных частиц и возьмем, например, радиоактивный распад атома. Это что же получается? Если мы не трогаем атом, так сказать, не наблюдаем, то он тоже находится в суперпозиции состояний? То есть одновременно распадается и не распадается, пока мы не это не проверим?

Но ладно атом, давайте рассуждать дальше, увлёкшись, острил Шрёдингер, а не приводит ли эта ваша суперпозиция к какой-нибудь дичи в макромире? К примеру, тот же радиоактивный атом — его можно использовать для связи с Большим Миром. Берем коробку, засовываем туда, скажем, кота и устройство, в котором используется тот самый радиоактивный атом в суперпозиции. Если атом не распадается, то ничего не происходит — кот сидит в коробке и обдумывает свое странное положение. А если атом распадается, радиоактивное излучение включает счетчик Гейгера, тот запускает механизм, выпускающий смертельное боевое вещество, запрещенное мировым сообществом — кот помирает. Глядя на такую коробку, каждому ежу понятно, что кот либо жив, либо мертв. Но это очевидно лишь в старой доброй классической картине мира. А с точки зрения квантовых законов мы принуждаем вселенную выбрать судьбу кота только посредством наблюдения — вмешательством в суперпозицию атома и кота. То есть кот становится живым или мертвым только тогда, когда мы открываем коробку. До этого же наш кот как будто бы находится в суперпозиции: он одновременно и жив имертв! Три раза ха-ха-ха!

Эйнштейн писал Шрёдингеру, мол, дорогой Эрвин, а ты, чертяка, хорош! — ловко ты проиллюстрировал противоречивость квантовой механики! Что ж это получается, — ухахатывался дедушка Альберт, — когда мы не смотрим на Луну, ее нет? Учитывая то, что в суровой реальности мы не наблюдаем котов, размазанных, в пространстве, то квантовая физика однозначно нуждается в уточнении.

В конечном итоге смешная шутка Шрёдингера привела к Самому Главному Вопросу квантмеха: как и когда происходит коллапс волновой функции? Бог с ней с суперпозицией, допустим, она существует, как минимум, в виде математической абстракции — нам бы для начала понять, как реализован выбор вариантов этой суперпозиции.

Самое известное объяснение происходящего принадлежало Бору и Гейзенбергу, которые пили пиво в Копенгагене и размышляли о том, как насолить Эйнштейну. Если вы читали предыдущие главы, то суть интерпретации вам будет понятна. Это и есть то, как Макс Борн объяснил двущелевой эксперимент. Сама реальность такова, что результат возникает исключительно из акта наблюдения.

В момент наблюдения, измерения, эксперимента, встречи с другим объектом и так далее частица выбирает себе судьбу из имеющегося набора в соответствии с вероятностями, заданными амплитудой. Казалось бы, что и с котом та же история, и у нас коты в суперпозиции — обыденное явление. Например, наша кошка точно однажды находилась одновременно на кухне и в спальне — мы можем поклясться об этом на пятом томике лекций Фейнмана!

Однако, вы могли заметить, что копенгагенская интерпретация говорит о том, что наблюдение — это не открытие коробки. А вообще-то любое вмешательство в жизнь атома. Коллапс происходит значительно раньше благодаря взаимодействию ядра атома с окружающим миром. Кот же в этом цирке жив, пока атом целехонек, или погибает, когда осколки распада попадают на детектор. Иначе говоря, когда квантовые явления взаимодействуют с макромиром: с детекторами частиц, с котами и так далее — суперпозиция накрывается медным тазом. Тут, правда, возникает вопрос, а где протекает граница между макро- и микромиром? Споры еще ведутся. В конце прошлого века ученые умудрились экспериментально проверить так называемый «квантовый парадокс Зенона», который предсказывает, если часто измерять определенную квантовую систему, то можно «заморозить» ее состояние, не давая ей разрушиться. Во всяком случае наблюдение за распадом атомов рубидия не давало ему распадаться, что теоретически могло продолжаться сколь угодно долго. Так что шутка Шрёдингера еще может выйти нам боком, и вдруг окажется, что при определенных условиях, в определенных обстоятельствах, при контролируемом эксперименте котик действительно окажется в суперпозиции. Страшно?

В СССР, в первой половине советской эпохи, к копенгагенской интерпретации относились прохладно, потому что выглядела она не очень. Ну сами посудите, тут у нас диалектический материализм, а здесь какие-то наблюдения и амплитуды вероятности.

Слава богам, были и другие интерпретации происходящего!

Другую интересную интерпретацию придумал американский физик Хью Эверетт III. Когда он приехал в Копенгаген показать свои идейки Бору, тот сказал, что идея глупая и отправил Эверетта восвояси. Однако интерпретация оказалась довольно оригинальной, и нынче это вторая версия по популярности среди физиков. Смысл теории Эверетта в том, что, не нужно заморачиваться на парадоксе наблюдения, так как приборы, производящие измерения тоже находятся в суперпозиции. Мы это не замечаем, потому что, как только происходит измерение, вселенная раздваивается («расстраивается», «расчетверяется» и т. д.) на все возможные варианты развития событий. То есть, когда ящик с котом открывается (ну или ядро выходит из суперпозиции), начинаются две новые интересные истории в параллельных вселенных: в одной кот жив, в другой мертв. Представьте, сколько квантовых событий происходит в мире ежесекундно, и сколько при этом рождается параллельных вселенных.

Поэтому теория называется многомировой интерпретацией.

А какие интересные следствия выходят из этих интерпретаций! Например, «квантовое самоубийство». Это мысленный эксперимент, рассматриваемый уже с позиции кота Шрёдингера. Представим, что человек соорудил такое ружье, которое стреляет (или не стреляет) на основе механизма распада ядра атома. С точки зрения копенгагенской интерпретации распад атома таки случится через некоторое время, и человек умрет. А вот в многомировой интерпретации будет немного иная картина. Каждый раз при нажатии курка, вселенная будет раздваиваться, и всегда будет существовать версия человека, у которого ружье никогда не выстрелит, хотя для стороннего наблюдателя такой человек будет мертв с высокой вероятностью.

Таким же образом можно додуматься и до квантового бессмертия. Даже находясь в эпицентре ядерного взрыва существует вариант развития событий, в котором вы выживаете и далее вы путешествуете мирам, удивляясь тому, как нелепое стечение обстоятельств позволяет вам каждый раз избежать смерти (в то время как ваши альтернативные версии дохнут как мухи).

Жирный плюс интерпретации: не нужны никакие коллапсы вероятностей, вселенная не испытывает мук выбора.

Увы, минус этой версии: вот когда покажете параллельный мир, тогда и поговорим.

Вот тут всё просто. Ну, относительно просто. Про это говорил Сам Эйнштейн: господа, мы просто о чем-то не знаем, поэтому нам всё вот так кажется. Надо искать новые теории, писать крутые формулы и ставить бомбические эксперименты. К тому же вы видите: квантовая механика никак не дружит с общей теорией относительности. А это, знаете ли, звоночек.

Гипотез, связанных со скрытыми параметрами, на самом деле несколько. Но самая известная это гипотеза Бома. Был такой физик, который опираясь на более ранние идейки Де Бройля, заявил, что перед электроном летит так называемая «пилотная волна», которую мы просто не обнаружили, и которая определяет, через какую щель пролетит электрон. Эйнштейн, между прочим, высказал свое «фи» гипотезе Бома, посчитав ее слишком попсовой.

Гипотеза Бома и в самом деле была сыровата, а впоследствии ее сильно подкосили неравенства Белла, про которые мы поговорим в следующей главе.

Однако, дальнейшее развитие идеи показывает, что не все так плохо со скрытыми параметрами. Немногочисленное общество физиков до сих пор пилят эту гипотезу, генерируют идеи и даже получают что-то убедительное. Беда в том, что гипотеза скрытых параметров хоть и возможна, но в ее нынешних версиях абсолютно бесполезна и при малейшем шаге в сторону тут же порождает много неудобных вопросов.

Нелюбовь мейнстрима к гипотезе скрытых параметров сделала свое черное дело, и уже много лет, чуть ли не со времен Бома, она притягивает фриков всех мастей, которые издают тонны трудов по опровержению квантмеха (и заодно классической физики) и объясняют трем с половиной желающих, как на самом деле устроен мир.

Что мы можем сказать по поводу этой интерпретации? Как ни крути, но вероятность того, что мы живем на генераторе случайных чисел очень велика, и гипотеза скрытых параметров — это отчаянная попытка вернуть давно ушедший поезд старой доброй классической механики.

Это очень страшная, но в чем-то правдоподобная гипотеза. Рекомендуем не читать про нее на ночь, иначе за вашу бессонницу мы не отвечаем.

Безумие квантовой механики легко и просто объяснить, если заявить, что все выборы частицы: где ей лететь, во что врезаться, с чем интерферировать и т. д — уже где-то записаны. Так сказать, в Великой Книге Судеб. Любое событие в Мироздании — от отражения фотона от стекла до провала вашего экзамена в технический ВУЗ — известно заранее.

Это нам видится какой-то рэндом, какие-то амплитуды и волновые функции. А на самом деле сценарий имеет начало и конец без какой-либо отсебятины.

И тут даже не важно, как возникла программа Вселенной: написал ли ее Господь Бог, порождена ли она случайным образом в эпоху Большого Взрыва (вариант: реализуется математически как клеточный автомат через причину-следствие) или является информационной проекцией объектов из супервселенной / мультиверса. Так или иначе это засада, котаны! Ничего нельзя сделать: если этому фотону суждено влететь в детектор, то он в него влетит.

Можно возразить: мы же получаем вероятности пролета частиц через щели 50 на 50 при большой выборке — это не очень похоже на предопределенность. Сторонники супердетерминизма зловеще улыбаются и спрашивают, а разве получение ученым результатов эксперимента имеет какую-то свободу от фатальности? Если предопределен полет фотона, то предопределен и результат опыта — физик-экспериментатор обязательно получит те результаты, которые заложены в Великий Сценарий.

Жутко. Неопровержимо, но и не доказуемо (хотя иногда в периодике проскакивают статьи об идеях насчет проверки супердетерминизма).

Хорошо, что физики в общем и целом не интересуются этой гипотезой, потому что она совсем не прикольная и не дает никаких знаний об окружающем мире, кроме уныния и депрессии. Но теперь и вы знаете про такое, живите с этим!

На вышеперечисленных версиях светлые головы, конечно же, не остановились. Есть и более сумасшедшие и наукообразные варианты объяснения квантовых чудес, которые иногда выдают в рецензируемых журналах господа и дамы физики. Причем вероятность того, что они это делают ради троллинга, весьма высока. Но почему бы и нет? Голова нам дана не только для того, чтобы думать, но и чтобы философствовать.

Несколько лет назад какие-то австралийские физики предположили, что квантовые явления — результат взаимодействия даже не двух, а четырех десятков (sic!) параллельных Вселенных. Нет, это не многомировая интерпретация Эверетта. В австралийском варианте корпускулярно-волновой дуализм — итог частичного пересечения и наложения миров. Они там еще и высчитывают что-то.

Другой советский, между прочим, профессор утверждал, мол, квантовые штучки не зависят от приборов, они сами по себе, но принадлежат не одной частице, а целой системе частиц, так называемому квантовому ансамблю, который находится в одинаковых макроскопических условиях. Ну типа как один за всех и все за одного — так дружно и коллапсируют.

Или давеча мы видели в журнале чересчур философскую версию копенгагенской интерпретации, в которой решают применить к квантовым вероятностям байесианскую логику. Это такая логика, в которой вероятность события до эксперимента сильно отличается от вероятности после эксперимента. Так сказать, априорная и апостериорная вероятности. Поэтому мы в итоге видим исключительно апостериорную вероятность, полученную конкретным наблюдателем. А ежели случится другой наблюдатель, то в эксперименте будет другой результат. Впрочем, что из этого следует, не очень понятно. Но философия забориста и смахивает на субъективный идеализм: все, что меня окружает, существует лишь потому, что я это в данный момент вижу (измеряю, наблюдаю).

В конце концов, наиболее скучные физики устали ломать головы в поисках прикольных интерпретаций и предложили унылый вариант, помиривший кота Шрёдингера с квантовым миром. Говоря вкратце, квантовые явления безусловно существуют, но они все такие загадочные только в изолированных системах. Если квантовый объект хорошенько оградить от внешнего мира, то его можно поддерживать в суперпозиции (в когерентном состоянии) довольно долгое, а может, и бесконечное время. Но мы живем в мире, где все и всё зависят друг от друга. В итоге квантовый объект взаимодействует с миром и теряет свои загадочные свойства. Помните закон термодинамики, когда нагретое тело (без продолжающегося нагревания) рано или поздно остывает до температуры окружающей среды? Так вот и с квантовыми событиями похожее явление. Квантомеханическая система, взаимодействуя с окружающей средой, необратимо проявляет классические черты. Чем больше «участников» в такой системе, чем больше атомов, участвующих в процессе, тем быстрее волновая функция схлопнется в одно конкретное состояние. Стабильность «съедает» неопределенность.

Поэтому в случае с котом Шредингера нельзя говорить, что кот жив и мертв одновременно. Благодаря декогеренции, кот встретился со своей судьбой задолго до открытия коробки и парадокса не существует. А также и не существует загадочного «наблюдателя» — измерением мы только ускоряем декогеренцию, то есть связываем закрытую квантовую систему с окружающим миром.

Что ж, в этой лекции вы много узнали о больном воображении этих ваших ученых. Не зря один американский физик, утомившись от попыток коллег интерпретировать сами знаете что, ясно и коротко высказался: заткнись и считай! Этим предлагалось всем, кто занимается квантовой механикой и подобными вещами, прекратить искать объяснения, а сосредоточиться на сборе новой информации. Авось что-нибудь да проявится.

Поэтому в следующей главе мы поговорим об интересных эффектах и следствиях квантового мира без фантазий на тему «а чаво это они».