Знание-сила, 2003 № 12 (918)

Смотри, кто там мяукает!

С тех пор как один из создателей квантовой механики Эрвин Шредингер придумал свой классический Gedanken Experiment, или, по-русски, «мысленный эксперимент», с кошкой и ядовитым газом, прошло уже 68 лет [* Подробный рассказ об этом эксперименте лег в основу темы августовского номера журнала за 2001 год]. Тем не менее эксперимент этот продолжает привлекать внимание физиков, и в последние четверть века были предприняты энергичные попытки проверить, до каких пределов верны рассуждения Шредингера. Совсем недавно многообещающую идею очередной такой проверки выдвинул знаменитый физик Роджер Пенроуз, и об этом мне хотелось бы здесь рассказать. Но предварительно следует, наверно, напомнить, почему так важен эксперимент Шредингера.

Для мира микрочастиц — микромира — вообще характерны такие особенности, которые не наблюдаются в макромире, в мире больших размеров. Одной из важнейших таких особенностей является способность любой микрочастицы находиться в двух состояниях сразу. Простейший тому пример — состояние электронов в двухатомной молекуле. При достаточном сближении атомов наружные электроны каждого могут оказаться как возле одного из них, так и возле другого, и за счет этого между атомами возникает химическая связь.

Наука о свойствах микромира, квантовая механика, вскрыла ряд других его особенностей, столь же фундаментально отличающих микрочастицы от обычных тел. И тогда возник вполне естественный вопрос: где пролегает граница, отделяющая микромир от макромира? Иными словами, на каком уровне сложности законы квантовой механики уступают место знакомым нам законам классической механики Ньютона? Именно этот принципиальный вопрос, причем в самом заостренном виде, и составляет суть того мысленного эксперимента, который придумал в 1935 году один из основателей квантовой механики Эрвин Шредингер, вообразив кошку, которая должна находиться сразу в двух состояниях — живом и мертвом. Но ведь кошка — это уже макротело, у нее нет квантовых свойств, она может быть либо жива, либо мертва, третьего вроде бы не дано. Или все же дано?

Но квантовая механика предсказывает, что в случае отсутствия взаимодействия с внешним миром система, даже макроскопическая, способна оставаться в двух состояниях сразу. Формулы квантовой механики не зависят от размеров тела. А как на самом деле? Именно к поиску ответа на этот вопрос, как мы уже сказали, как раз и подталкивает мысленный эксперимент Шредингера, и именно поэтому он столько дет привлекает внимание экспериментаторов.

Внимание это стало особенно острым в начале 1980-х годов, когда были созданы сверхпроводящие устройства, в которых непрерывно и без всякого сопротивления циркулирует поток, состоящий из миллиардов электронов, движущихся парами, в абсолютной и идеальной согласованности друг с другом. При достижении сверхнизких температур электроны в таком сверхпроводящем металлическом кольце сами собой образуют синхронный поток, потому что эта ситуация соответствует наименьшей энергии всей системы. Но ведь электроны могут точно так же синхронно двигаться по кольцу и в прямо противоположном направлении. В каком же состоянии они будут находиться?

Если бы речь шла об одном электроне, вопроса бы не было, потому что в хорошо изолированном от внешнего мира кольце он может, как мы уже говорили, находиться в двух состояниях сразу. Но здесь речь идет о миллиардах электронов. Может ли быть так, что ток по кольцу может циркулировать одновременно в двух противоположных направлениях? Такая ситуация, в переводе на язык Шредингера, означала бы почти то же, что два состояния кошки, мертвое и живое. А это означает, что такие сверхпроводящие устройства (их называют СКВИД, от первых букв словосочетания «сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство, по- английски «device») открывают возможность существен но продвинуться в ответе на вопрос, как далеко в область больших размеров простираются квантовые законы.

Рисунки Ю. Сарафанова

И действительно, три года назад группе исследователей под руководством Дж. Фридмана удалось придумать такой метод, который позволял измерять вероятность обнаружения в СКВИДе того или иного направления кольцевого тока. И оказалось, что при определенной частоте излучения вероятности обнаружения оба эти состояния становятся одинаковыми, иными словами, ток как единое целое с равной вероятностью находится в обоих состояниях сразу. Почти одновременно такой же поразительный результат получила другая группа ученых под руководством Каспара ван дер Валя.

Взятые вместе, оба эксперимента показали, что квантовые свойства присущи не только отдельным микрочастицам, но и кольцевому току таких частиц, как единому целому, как единой физической системе, хотя эта система включает уже не одну, не десяток и не сотню, а миллиарды частиц. Грубо, но наглядно результаты Фридмана и ван дер Валя говорят, что кольцо тока словно бы непрерывно осциллирует между двумя возможными состояниями, «мгновенно» перепрыгивая из одного в другое, так что в любой данный момент нельзя сказать (не воздействуя на систему извне, «не вскрывая» ее), в каком именно направлении идет ток — по часовой стрелке или против нее.

Этот результат, кстати, имеет важное практическое значение, поскольку дает основание думать, что в будущих квантовых компьютерах удастся применять достаточно «крупные» логические элементы, сохраняя их квантовые свойства и в то же время позволяя ими манипулировать, то есть направленно перебрасывать в нужное состояние. Однако в отношении поставленного Шредингером принципиального вопроса о границах действия квантовых закономерностей этот результат, как выразился один теоретик, «означает лишь, что шредингеровская кошка немного потолстела, но все еще не достигла подлинно макроскопических размеров».

Прошло время, и вот теперь группа ученых во главе с упомянутым выше Роджером Пенроузом выдвинула идею еще более тонкого эксперимента, который, по их мнению, открывает долгожданную возможность продвинуться в этом вопросе до подлинно макроскопических областей. В эксперименте, предлагаемом этой группой, главную роль играет интерферометр — устройство, предназначенное для расщепления светового луча надвое, пропускания обоих полученных лучей по двум разным путям и затем сведения их с помощью зеркал вместе для взаимного погашения или усиления. Оказывается, если пропустить через такое устройство одну- единственную частицу света — фотон, то она благодаря своим квантовым свойствам проходит в нем сразу по двум путям и дает на выходе такую же интерференционную картину, какую можно было бы ожидать от обычной волны.

Пенроуз и его коллеги предлагают воспользоваться этим, давно уже установленным фактом и, «расщепив» фотон, направить его по таким двум путям, двум «плечам» интерферометра, только в одном «плече» поместить крохотное зеркальце на тончайшем, покачивающемся металлическом рычажке. Это зеркальце, хоть и размером не больше самой малой клетки человеческого организма (10 микронов толщиной, 5 миллионных грамма весом), тем не менее будет вполне «макроскопическим», и вот оно-то и заменит в эксперименте шредингеровскую кошку.

Если бы фотон был классической частицей, он шел бы либо по одному, либо по другому плечу интерферометра, то есть либо ударял бы зеркальце, качнув его на рычажке, либо не ударял. Будучи частицей квантовой и потому двигаясь сразу по двум путям, он одновременно должен и ударять зеркальце, и не ударять его. Отразившись от зеркальца, фотон в дальнейшем воссоединится с самим собой и даст на экране прибора некую интерференционную картину, характер которой, согласно квантово-механическим расчетам авторов, должен быть разным в зависимости от того, качнулось зеркальце от попадания фотона, не качнулось или качнулось и не качнулось сразу (!)

Пенроуз впервые выдвинул эту идею для неких надобностей космонавтики. Его коллега, калифорнийский физик Боумистер, сообразил, что с ее помощью можно выяснить судьбу шредингеровской кошки. Два оксфордских физика, Маршалл и Саймон, рассчитали, при каких условиях эксперимент окажется достаточно чувствительным. Температура должна составлять всего несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Вакуум должен быть почти абсолютным. О зеркальце уже сказано выше. На роль рычажка требуется что-то вроде углеродной микротрубочки нанометрового диаметра. Сегодняшняя технология еще не может выполнить все эти условия сразу, но, по мнению авторов, лет через пять эксперимент, несомненно, окажется возможным.

В практическом плане он способен еще более расширить возможности квантовых компьютеров. В плане теоретическом, принципиальном он может доказать (или опровергнуть) утверждение Шредингера, что квантовая механика справедлива и для макротел, лишь бы они были идеально защищены от любых воздействий окружающей среды. Помешенные в «шредингеровский ящик» макротела тоже могут находиться в двух (и более) состояниях сразу, но фантасты, увы, никак не смогут воспользоваться этой способностью для каких- нибудь своих литературных целей.

Впрочем, литература все-таки имеет самое прямое отношение к нашему рассказу. Ибо сакраментальный вопрос о том. где проходит граница между законами одного мира и законами другого, был впервые задан именно в литературе и притом задолго до Эрвина Шредингера. Его задал Исаак Бабель устами одного из героев «Одесских рассказов», который все добивался, чтобы ему объяснили, «где кончается Беня Крик и где начинается полиция». На что знающие люди, как вы, наверно, помните, резонно ему ответили, что «полиция кончается там, где начинается Беня». Интересно, что бы по этому поводу мяукнула шредигеровская кошка? Уж она-то в этом разбирается лучше всех...