Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Парадокс ЭПР имел большое значение для развития квантовой теории. Прежде всего, он стимулировал развитие ряда новых понятий и вызвал интерес к коррелированным состояниям квантовых частиц. Когда такие состояния были обнаружены экспериментально для фотонов, началось бурное развитие новой области в физике — квантовой оптики. Кроме того, эксперименты с коррелированными квантовыми ЭПР-парами позволили проверить, действительно ли вероятностное поведение характерно для отдельной квантовой частицы, или это свойство совокупности частиц.

Итак, мы уже выяснили, что квантовый объект, в отличие от классического, имеет изначальную статистическую природу. Однако следует помнить, что вероятностный характер квантовых микросистем не сводится только к классической неопределенности неполного знания параметров объекта. Поэтому для описания квантовых систем используется специальное очень важное понятие — состояние.

В историю также вошел мысленный парадокс, сформулированный Шрёдингером и получивший название «Квантовый кот Шрёдингера». В нем выдающийся физик заострил внимание на необычном характере квантовых суперпозиционных состояний, сконструировав парадоксальный мысленный эксперимент, противоречащий нашему обыденному восприятию окружающей реальности. Так, он предположил, что в замкнутом ящике находится сосуд с ядом, который может быть разбит механизмом, управляемым радиоактивным распадом. Внутри ящика находится кот Шрёдингера, живой либо мертвый в зависимости от результата радиоактивного распада. Отметим, что процесс измерения как взаимодействия с макроскопическими измерительными приборами — принципиально необратимый процесс, в результате которого состояние измеряемого объекта претерпевает редукцию. Редукция, как и всякое физическое явление, имеет характерное время своего существования. Однако в силу краткосрочности процесса вопрос о его внутренней динамике, как правило, не рассматривается. В данном случае возмущение должно распространяться мгновенно, ибо частицы могут находиться на любом расстоянии друг от друга к моменту проведения измерения. И все-таки противоречия нет. По законам квантовой механики, возмущение, вносимое при измерении, случайно. В этом случае мгновенная передача возмущения не есть передача сигнала, ибо не может нести информацию.

Шрёдингер придумал свой мысленный эксперимент, считая квантовую механику неполной и не до конца описывающей нашу реальность. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это верно и для атомного ядра. Оно обязано быть либо распавшимся, либо целым.

Нильс Бор считал, что система «Квантовый кот» перестает быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа самого действия — наблюдения и измерения определена недостаточно. До тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно: «распавшееся ядро, мертвый кот» и «целое ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит определение одного из вариантов.

В середине прошлого века американский физик Хьюго Эверетт предложил многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой оба состояния кота существуют, но взаимодействуют совершенно особым образом. Когда наблюдатель открывает ящик, мир расщепляется на две разных вселенных, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвым котом, а в другой — другой наблюдатель смотрит на живого кота. Парадокс?

Известный английский физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьем!» Окончательное единство среди физиков по этому вопросу все еще не достигнуто.

В дальнейшем мы увидим, что совершенно на первый взгляд абстрактные рассуждения о котах и квантовых законах вполне возможно применить на практике: в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. По оптическому проводнику возможно послать световой сигнал, который напоминает смесь из двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это тут же изменит сигнал (будет произведено наблюдение) и свет перейдет в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приемном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в смеси состояний, или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. В принципе это делает возможным создание средств связи, которые исключают возможность незаметного перехвата сигнала и подслушивания.

Ну а теперь предлагаю вашему вниманию блестящую юмореску оригинального сатирика и критика религиозного мракобесия, которое нет-нет да и поднимает голову…

Бюст Эрвина Шрёдингера в Венском университете

Англия, январь, 1935 г.

— Что за бред вы здесь понаписали, Эрвин?! — Редактор отложил рукопись, протер очки и уставился изумленным взглядом на посетителя, смущенно сидящего перед ним. — Как вам в голову пришел этот дохлый кот? Неужели без таких сомнительных аллегорий никак не объяснить сущность законов квантовой механики? Если бы я вас раньше не знал и не печатал ваши статьи…

— Ханс, мне этот кот тоже совсем не нравится… Но это как раз ваш референт настоял на нем. Сейчас я объясню. Видите ли, первоначально мне показалось, что я для популярного объяснения нашел очень яркий и знакомый всем с детства образ, который описывается суперпозицией двух состояний… Я ведь человек религиозный, и знаете… Квантовая механика ведь тоже создана по милости Господней.

Просто некоторые ее моменты многим непонятны, и надо было найти соответствующий и волнующий воображение образ, драматизирующий интерпретационную проблему. Тогда люди заинтересуются и преодолеют мнимую сложность понимания. Вот образ Иисуса на кресте — это как раз то, что было бы понятно всем…

— Эрвин… — Ханс Дитл перестал вертеть очки в руках и положил их на стол. — Вы хорошо себя чувствуете? Вы уверены, что у вас не горячка? Сначала дохлый кот, а теперь дохлый…

Редактор запнулся, поняв, что чуть не сказал что-то кощунственное. Но захваченный своей идеей профессор ничего не заметил.

— Да ведь в том и дело, — быстро перебил редактора Шрёдингер, — что Иисус на кресте лучше всего демонстрирует суть квантового парадокса, а удар сотника с копьем — момент коллапса волновой функции. Вот представьте — наш Господь без сознания висит распятый на кресте, истекая кровью, и никто — слышите никто! — не может на этот момент сказать, мертв он или жив. Ведь это и есть в самом чистом виде понятие квантовой неопределенности. В онтологическом смысле Христос не может быть жив и мертв одновременно — это квантовая суперпозиция. Только удар копьем может дать нам ответ о его состоянии. Только такая вот эмпирическая проверка. В квантовом смысле посланный Пилатом римский сотник с копьем — это внешний наблюдатель, экспериментатор, дающий нам окончательный ответ на вопрос, жив Иисус или нет на этот момент. Это и есть образ мгновенного изменения описания квантового состояния объекта, происходящего при измерении. А до того мы ничего точно не знаем, Христос для нас не жив и не мертв одновременно!