Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

Описанный здесь спор произошел около 80 лет назад. И как же обстоит дело сегодня? Вот замечательный ответ: практически все физики согласны с точкой зрения Борна−Гейзенберга. Тем не менее абсурдность ситуации с котом Шрёдингера так и не получила удовлетворительного объяснения. Как же современные физики реагируют на reductio ad absurdum – этот нелепый пример? Никак. Кот Шрёдингера и сегодня не дает им покоя, если вдруг о нем вспоминают, но чаще физики предпочитают игнорировать эту проблему и двигаться дальше.

Подход Борна и Гейзенберга (а они тоже были основателями квантовой физики) получил название копенгагенской интерпретации; так назвал его Гейзенберг в честь города, где он работал ассистентом у Нильса Бора. Сегодня большинство физиков принимают копенгагенскую интерпретацию. Эйнштейн продолжал оспаривать ее до конца своих дней (1955). И до сих пор организуются встречи, на которых немногочисленные гордецы сомневаются в реальности квантовой физики, ведут долгие математические и эзотерические дискуссии по поводу возможных альтернатив, но основная масса специалистов эти собрания игнорирует. Квантовая физика работает; молчаливому большинству физиков этого достаточно. Задайте кому-нибудь из них вопрос и, скорее всего, услышите в ответ что-нибудь вроде: «Знаю, это звучит странно, но у нас нет никакой возможности сказать, жив кот или мертв, без того чтобы повлиять на результат, так что мы просто не в состоянии различить эти ситуации».

Некоторые ученые неверно понимают квантовую физику и ошибочно считают, что кот либо жив, либо мертв, но не то и другое одновременно, а наблюдатель просто не может знать, в каком кот состоянии, пока не откроет коробку. Именно так считали Эйнштейн и Шрёдингер. В настоящее время такой подход называется теорией скрытых параметров (переменных). В этом случае скрытым параметром будет живость кота. Именно так часто рассказывают студентам в курсе квантовой физики, но копенгагенская интерпретация не об этом. И, как я вам покажу, эксперименты с квантово-механическим свойством, известным как запутанность, позволяют сделать вывод, что верна именно копенгагенская интерпретация, а не точка зрения Эйнштейна и Шрёдингера, связанная со скрытыми параметрами. В главе 19 я опишу первый такой эксперимент, проведенный Стюартом Фридманом[179] и Джоном Клаузером[180]. (Нет, кота они к своим экспериментам не привлекали.) Наилучшая теория из всех существующих говорит о том, что действительно копенгагенская интерпретация верна: кот одновременно жив и мертв до момента измерения[181].

Но разве нельзя раньше определить, умер ли кот, по состоянию тела, температуре крови или каким-то другим физиологическим признакам? На самом деле волновые функции атома и кота должны включать все возможные значения времени распада с надлежащими весами, которые отражали бы вероятность раннего и, напротив, позднего радиоактивного распада. (Если вы включите в свое измерение этот дополнительный аспект, то и амплитуда у вас получится несколько более сложной, чем просто число.) Если заглянете в коробку или, скажем, вставите туда термометр, это действие тоже будет считаться измерением. Открыв коробку, вы можете увидеть как только что погибшего кота, так и кота, который, судя по виду, пролежал мертвым почти час, несмотря на то что, по копенгагенской интерпретации, всего мгновение назад его судьба еще не была решена.

Неужели кот ничего не чувствовал? Что мы подразумеваем под измерением? Нужен для этого человек, или, может быть, кот сам может выполнить измерение? А если мы заменим кота человеком? Как бы поразительно и тревожно это ни звучало, ответ на все наши вопросы одинаков: мы не знаем. Достоверной теории измерения пока не существует. Это лишь мечта физиков. И эта пока не сформулированная теория измерения – именно то место, где, по мнению некоторых ученых, может скрываться правда о происхождении времени, стреле времени и скорости его хода. Заглядывая в коробку, вы воздействуете только на будущую амплитуду; в будущем кот присутствует либо живым, либо мертвым. Вы не можете повлиять на прошлую амплитуду, включавшую в себя кота одновременно живого и мертвого. Таким образом, здесь имеется асимметрия – нечто новое в физике, отличающее прошлое от будущего.

Для кота Шрёдингера амплитуда жив/мертв была просто числом, которое при возведении в квадрат давало вероятность этого варианта в конце некоторого периода времени. Как я уже упоминал, если амплитуда зависит от расположения в пространстве и от времени, она называется волновой функцией. Сам Шрёдингер, автор истории с котом, знаменит в первую очередь тем, что выработал уравнение, которое показывает, как волновая функция отзывается на внешние воздействия, как она движется и меняется в пространстве и времени, – знаменитое уравнение Шрёдингера, которое изучают все будущие физики и химики.

Волновая функция может описывать электрон, летящий сквозь пространство или обращающийся по атомной орбите. В химии та же волновая функция называется орбиталью. Поскольку волновые функции не похожи на точку, а как бы размазаны, положение частицы (координаты точки, в которой она будет обнаружена) оказывается неопределенным. Скорость частицы, установленная через волновую функцию, также неопределенна. Все волновые функции изменяются во времени, а энергия частицы непосредственно связана с частотой посредством формулы, которую Эйнштейн открыл для фотонов, E = hf[182]. Если частота не имеет точного значения, в том смысле что характеристики колебания напоминают музыкальный аккорд (так же складываются из нескольких нот) или, что еще хуже, шум, то энергия тоже оказывается неопределенной.

Чтобы найти ожидаемые координаты частицы, возведем в квадрат численное значение волновой функции во всех точках. Это даст относительную вероятность обнаружения конкретной частицы в любой заданной точке. Чтобы определить, насколько быстро движется частица, следует проанализировать длины волн. Малые длины соответствуют высоким скоростям. Французский физик Луи де Бройль показал, что импульс р волновой функции (масса, умноженная на скорость) задается постоянной Планка h, деленной на длину волны: р = h/λ. В некоторых случаях волновая функция может быть сложной суперпозицией комплексных чисел. Когда вы проводите измерение, волновая функция «коллапсирует», изменяясь и принимая вид, соответствующий вашему измерению. Такое изменение называется коллапсом, потому что при нем, как правило, волновая функция упрощается. Откройте коробку, чтобы взглянуть на кота Шрёдингера, и волновая функция сколлапсирует, чтобы представлять далее либо живого кота, либо мертвого, но не то и другое одновременно. Все, что мы в принципе можем когда-либо увидеть, это простые результаты измерений, среди которых не бывает странных комбинаций вроде кота, который одновременно жив и мертв, – при измерении он может быть либо живым, либо мертвым.