На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы - Довид Ласерна

«Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях».

Кот помещен в ловушку квантовой неопределенности. После того как стальная камера заперта, функция ψ изменяется, объединяя в себе все возможности. Она не склоняется ни к какой из альтернатив: и живой, и мертвый кот существуют в вероятностном мире.

Длина волны квантового участника опыта — ядра радиоактивного атома, который может распасться или не распасться, — уносит кота в свой абстрактный мир. До того как мы совершим измерение (в нашем случае — откроем камеру и проверим, что происходит с котом), в суперпозиции сочетаются два варианта (см. рисунок). Кот одновременно мертв и жив. Эйнштейн поддержал Шрёдингера: «Функция ψ, в которой кот скорее жив, чем мертв, не может считаться аутентичным описанием состояния».

Разделяй и властвуй

Многомировая интерпретация считается «самым оригинальным описанием реальности из когда-либо предложенных». Ее сформулировал в 1954 году американский физик Хью Эверетт. Позднее он развил эту тему в своей диссертации на соискание докторской степени в Принстоне. В этом представлении волновая функция никогда не коллапсирует, поскольку нет необходимости в выборе одного из пунктов списка. Все эти пункты существуют одновременно, каждый в своем мире. В одном мире кот жив, а в другом его отравила синильная кислота. При осуществлении каждого возможного выбора реальность меняется. Система с бесконечным количеством состояний влечет существование бесконечного количества миров в одной Вселенной, и в каждом из них существует наблюдатель и один из вариантов. Согласитесь, эта идея одновременно и захватывает, и пугает. Джон Уилер, американский физик-теоретик и один из приверженцев многомировой интерпретации, в конце концов отказался от нее ввиду повышенной «метафизической тяжеловесности». Летом 1952 года Шрёдингер провел семинар в Дублине, во время которого он произнес слова, казалось, предвосхитившие формулировку Эверетта: 

«Часто теоретики квантовой механики ссылаются на вероятность того, что тот или иной вариант (...) существует среди множества альтернатив. Идея о том, что варианты не будут альтернативами, но будут выступать одновременно, кажется им бессмысленной, просто-напросто невозможной». 

Шрёдингер не тратил время на то чтобы развить это положение, которое он, скорее всего, выдвинул для того, чтобы прощупать научную ситуацию. Собственно развитие этой мысли ставит новые вопросы, в частности с помощью каких опытов мы можем доказать существование — или отсутствие — лабиринта бесконечных вселенных, независимых от нашей?

Шрёдингер предложил этот эксперимент, чтобы выявить недостатки установившейся версии квантовой механики. Он имел четкую цель, но парадокс получил неожиданное разрешение. Микроскопическое не может быть отделено от макроскопического, как если бы они были разделены непроницаемым барьером. Эксперимент не противоречит квантовой суперпозиции; он просто вводит эту суперпозицию в нашу жизнь.

В лабораториях были реализованы десятки экспериментов, напоминающих о коте Шрёдингера (ни одно животное при этом не пострадало). В них участвовали серии все более сложных структур в состоянии суперпозиции. В 1999 году это были молекулы 60 атомов углерода; в следующем году — токи в сверхпроводниках, наконец в 2011 году — молекулы, состоящие из 430 атомов, большие, чем молекула инсулина.

В 2010 году созданный человеком механизм впервые ослушался классических законов, чтобы подчиниться квантовым: метроном волосяной толщины (таким образом, видимый) оказался способен колебаться одновременно с большей и меньшей частотой. Эксперимент проходил при температуре, близкой к абсолютному нулю. В 2009 году немецко-испанская группа ученых предложила провести опыт, максимально приближенный к пресловутому коту, используя вместо теплокровного животного вирус табачной мозаики. Конечно, в этом кто-то увидит ересь, но Шрёдингер оценил бы этот союз биологии и физики.

Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьем!

Английский физик Стивен Хокинг

Освоение макроскопических суперпозиций открывает путь к созданию квантовых компьютеров. Современные компьютеры работают с арифметикой нулей и единиц, а их квантовый эквивалент сможет работать с суперпозицией 0 и 1, то есть одновременно с двумя состояниями. Если традиционный компьютер выполняет операции последовательно, используя результаты предыдущих вычислений, выраженные в виде 0 или 1, то квантовое устройство сможет одновременно обрабатывать команды, соответствующие двум альтернативам.

Эта способность скачкообразно увеличивает вычислительные возможности.

РИС. 1

РИС. 2

Выход из лабиринта парадокса Шрёдингера и решение проблем квантовой интерпретации сегодня, кажется, можно найти исходя из принципа декогеренции, сформулированной в 1970 году немецким физиком Хайнцем-Дитером Це. Она говорит нам, что состояния суперпозиции допустимы, но также требуют крайней деликатности. Они легко могут быть разрушены при взаимодействии с окружающим миром — как карточный домик, стоящий напротив открытого окна. Излучение или поглощение фотона, столкновения частиц уничтожают спектры волновой функции и ускоряют ее необратимое изменение к внешне классическому состоянию. Поэтому основная странность квантового мира связана не с микромасштабами, а с тем, что для его манифестаций необходима крайняя степень уединенности. В обычной жизни мы не наблюдаем суперпозиции, потому что сама невозможность изолировать макроскопический объект разрушает их. Декогеренция, описанная на основе уравнения Шрёдингера, показывает, как классический мир внезапно проявляется из квантового через взаимодействие с окружающей средой. Так что не существует барьера между ньютоновским наблюдателем и пространством атома. Волновая функция объединяет нас всех.

Кот Шрёдингера, хоть он и заперт в стальной камере, ведет диалог с окружающим миром. Будучи теплокровным животным, он испускает инфракрасные лучи, молекулы воздуха сталкиваются с его усами, наша планета оказывает на него электромагнитное воздействие, масса кота притягивает Землю, а на него самого действует сила притяжения Земли...

Феномен декорегенции смогли обнаружить в лаборатории при работе с фуллеренами (рисунок 1) — сложными молекулами, основа которых, состоящая из 60 атомов углерода, напоминает футбольный мяч. Их состояние суперпозиции исчезает, как только они высвобождают часть тепловой энергии, излучая фотоны.

Квантовый след

«Запутанность» — термин, который Шрёдингер использовал в статье от 1935 года «Текущая ситуация в квантовой механике», — сегодня имеет другую трактовку, чем при своем появлении. Шрёдингер считал запутанность не новой характеристикой квантовой механики, а элементом, который помогает ее понять с помощью привычного нам образа мыслей.

В самой простой версии запутанности две частицы А и В являются квантовыми близнецами и находятся в одинаковом состоянии до того, как разнестись друг от друга на произвольно большое расстояние таким образом, чтобы они не могли взаимодействовать (рисунок 2). Несмотря на удаленность друг от друга, обе частицы способны реагировать на измерение одной из них, демонстрируя прекрасную согласованность. Вначале наблюдаемое свойство не измерено ни для A, ни для В. После разнесения частиц в пространстве произведем измерение для A, результат которого, естественно, будет случайным. Запутанность предполагает, что это измерение сразу же станет справедливым и для В, хотя эта частица измерениям не подвергалась. Например, если мы определяем импульс A, то сразу же узнаем его и для В. После завершения измерения запутанность исчезает. Эйнштейн называл этот эффект «жутким дальнодействием», и он был для него одной из главных причин отклонения принятой интерпретации квантовой механики.