Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Утверждения Эйнштейна и Теслы подчеркивают важный момент в философии физики: физика, возможно, хорошо умеет объяснять при помощи формул и наблюдений, как работают те или иные вещи, но она совершенно не обязательно говорит, почему эти вещи работают именно так. И Тесла, и Эйнштейн признавали, что существуют глубокие вопросы, поднятые их исследованиями, к пониманию которых им не удалось даже приблизиться.

Эйнштейн и сам любил животных, в какой-то момент у него был кот по имени Тигр, который всегда грустил, когда шел дождь. Эйнштейн, как говорят, сказал как-то коту: «Я знаю, что это неправильно, дорогой мой, но я не знаю, как это выключить». В 1924 г. Эйнштейн написал в письме друзьям, вероятно все про того же кота: «Я испытываю желание послать вам, в кои-то веки, привет из своего приюта отшельника. Здесь так хорошо, что я готов едва ли не позавидовать сам себе в этом. Я один занимаю целый этаж. Никого, кроме меня, здесь нет, только иногда еще громадный кот, который также определяет в основном запах в моей комнате, поскольку я не в состоянии успешно с ним конкурировать в этом отношении».

Эйнштейна, однако, куда сильнее занимал другой кот, которого никогда не существовало в действительности, но которого тем не менее можно назвать самым знаменитым котом в истории физики: это кот Шрёдингера. Этого странного зверя представил ученой публике австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961), чтобы подчеркнуть абсурдные, на первый взгляд, следствия из теоретической квантовой физики — теории, в разработке которой сам Шрёдингер сыграл не последнюю роль.

Если бы мы захотели сформулировать всю квантовую физику в нескольких словах, то сказали бы, что она заявляет, что все существующее вокруг имеет одновременно природу волны и частицы: это, как мы видели ранее, называется корпускулярно-волновым дуализмом. В 1905 г. Эйнштейн успешно доказал, что свет, который с начала XIX в. считали волной, ведет себя так же, как поток частиц. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль, вдохновленный наблюдениями Эйнштейна, предположил, что обратное верно для любого вещества: все атомы и все элементарные частицы, такие как электроны, обладают волновыми свойствами. Всего через несколько лет эта гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально, что стало подлинным началом эры квантовой физики. В 1926 г. Эрвин Шрёдингер составил математическую формулу — уравнение Шрёдингера, — которая описывала, как волновые свойства вещества изменяются во времени и пространстве. Эйнштейн принял его статью к публикации.

Существовала, однако, очень серьезная проблема. Все соглашались, что вещество ведет себя как волна, но никто не мог объяснить в точности, что именно при этом колеблется. Когда мы говорим о волнах на воде, то понимаем, что речь идет о самой воде, движущейся вверх и вниз; когда говорим о звуковых волнах, мы знаем, что это колеблются молекулы воздуха, перенося звук от источника к приемнику. Для света, как установил Джеймс Клерк Максвелл, «колеблются» электрические и магнитные поля. Но никто не мог сказать точно, что означают волны вещества. Как Тесла и Эйнштейн сказали об электричестве и фотонах, соответственно, одно дело — описать явление и совсем другое — интерпретировать его.

Этот вопрос стал настоящим «пунктиком» для датского физика Нильса Бора и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг работал под руководством Бора в одном из институтов Копенгагена. Вместе они собрали все имевшиеся на тот момент сведения по квантовой физике в непротиворечивую систему, известную нам сегодня как Копенгагенская интерпретация квантовой механики. Если коротко: вещественная волна электронов и других частиц не является физической волной, а связана с вероятностью того, что некая частица окажется в какой-то определенной точке пространства в определенное время. Высокая волна соответствует высокой вероятности того, что частица окажется в нужном месте, тогда как низкая волна соответствует низкой вероятности.

Однако, когда мы измеряем пространственное положение квантовой частицы, то никогда не видим всю волну целиком: мы видим частицу, расположенную в какой-то определенной точке пространства. Ключевой компонент Копенгагенской интерпретации — идея о коллапсе или редукции волновой функции: когда кто-то пытается измерить положение частицы, ее волна «схлопывается», или «коллапсирует», в конкретную точку, которая и представляет местонахождение частицы. Вследствие этого любое измерение квантовой частицы кардинально меняет ее поведение. Более того, Копенгагенская интерпретация предполагает, что до измерения квантовая частица не находится определенно ни в одной точке, и, только когда эту частицу измеряют, она «решает» каким-то загадочным образом, где конкретно она в этот момент хочет находиться.

Если вам эта интерпретация кажется странной, вы не одиноки. Вы оказываетесь в компании с самим Шрёдингером, который считал, что Копенгагенская интерпретация может привести к абсурдным результатам. Он заметил, что можно сделать так, чтобы существование живого существа, скажем кошки, зависело от поведения одной-единственной квантовой частицы, такой как атом. «Можно привести совсем уж нелепые случаи», — написал он в 1935 г. и привел пример.

Эта схема, в слегка модифицированном виде, изображена на рисунке.

Шрёдингер сказал, по существу, что квантовый мир Копенгагенской интерпретации кардинально отличается от того мира, с которым мы сталкиваемся в повседневности. Когда мы бросаем монетку и, не глядя, закрываем ее ладонью, то знаем, что монетка уже лежит либо орлом, либо решкой кверху. Однако, согласно Копенгагенской интерпретации, «квантовая» монетка должна находиться в волноподобном состоянии одновременно орла и решки, пока мы на самом деле на нее не посмотрим. Но это порождает дополнительную проблему: что заставляет схлопываться волновую функцию? В лаборатории, как несложно себе представить, коллапс волновой функции вызывает человек-ученый, который считывает с инструментов данные о результатах эксперимента, но философски из этого следует особая роль, которую человеческие существа играют в космосе, — идея, от которой наука безвозвратно отошла уже несколько столетий назад.

Эйнштейн одобрил критическое выступление Шрёдингера. В письме 1950 г. он писал: