[66]. Сразу оговоримся, что эксперимент чисто мысленный, так что при его проведении ни одно животное не пострадало. А суть эксперимента в следующем: кота запирают в стальной камере, оборудованной смертоносным устройством. Крошечный кусочек радиоактивного вещества, которое в течение одного часа распадается с вероятностью 50 %, помещен в счетчик Гейгера (прибор, который фиксирует радиоактивный распад). Если распад происходит, то срабатывает счетчик и запускается механизм, разбивающий ампулу с ядом, и кот умирает. Если же распада не происходит, то ампула не разбивается, и кот остается жив. Вроде всё довольно просто и однозначно. Но только до тех пор, пока в игру не вступают квантовые принципы. Ведь радиоактивный распад – это микроскопический процесс, подчиняющийся всем квантовым закономерностям. А значит, волновая функция радиоактивного атома эволюционирует (меняется со временем), согласно уравнению Шрёдингера. Следовательно, по истечении часа состояние радиоактивного элемента не будет уже чем-то определенным, он одновременно будет находиться в суперпозиции двух состояний «распался» и «не распался». А поскольку с каждым из этих состояний связана судьба кота, то и сам кот также должен находиться в суперпозиции двух состояний «жив» и «мертв» одновременно. Разумеется, это полный абсурд – никто никогда не видел живомертвых котов. Поэтому нам кажется, что никакая физическая система не может находиться одновременно сразу в нескольких состояниях.
Тем самым Шрёдингер пытался показать, как неопределенность, первоначально свойственная лишь микромиру, превращается в макроскопическую неопределенность, которую мы в своей повседневной реальности никогда не наблюдаем. Как мы уже говорили ранее, законы нашего макромира – это те же квантовые законы, просто примененные к огромному количеству микроскопических частиц. Волновые свойства этих триллионов и триллионов частиц, накладываясь друг на друга (и это можно строго математически показать), в результате дают те макроскопические свойства и закономерности, к которым мы привыкли и в которых не бывает никаких суперпозиций. Поэтому волновая функция радиоактивного атома коллапсирует при наложении на такой макроскопический объект, как кот, состоящий из триллионов и триллионов частиц. Так что на самом деле кот не может находиться сразу в двух состояниях, а всегда только в одном: либо жив, либо мертв.
Вопрос 41. Почему частицы ведут себя по-другому, когда за ними наблюдают?
Еще один квантовый эффект, который плохо согласуется с нашим повседневным опытом, – это эффект наблюдателя. Суть его заключается в том, что микроскопические частицы, которые мало того что обладают корпускулярно-волновой природой, так они в одном и том же эксперименте могут вести себя и как волны, и как частицы, в зависимости от того, наблюдают за ними или нет. Это выглядит довольно странно – как вообще частица «понимает», что за ней наблюдают? И не является ли это доказательством того, что наше сознание может воздействовать на материю и что наши мысли вообще материальны? Многие далекие от науки авторы любят поспекулировать на эту тему. Но как обстоят дела с эффектом наблюдателя с научной точки зрения?
Давайте вспомним хорошо знакомый нам эксперимент с двумя щелями[67]. В качестве источника излучения выберем электронную пушку, которая может направлять на лист с двумя щелями поток одинаковых электронов. Если щели будут достаточно узкими, то за ними мы увидим интерференционную картину – чередующиеся темные и светлые полосы на экране. Это свидетельствует о волновых свойствах электронов (иначе мы бы увидели два немного размытых следа напротив каждой из щелей)[68].
Но вдруг это лишь следствие взаимодействия электронов, летящих в одном пучке, друг с другом? Чтобы исключить это взаимное влияние, физики-экспериментаторы стали выпускать электроны по одному, не отправляя следующий электрон, пока предыдущий не врежется в экран. Каждый электрон оставляет на экране одну светлую точку (в том месте, куда он врезался), так что интерференционной картины от одной частицы, конечно же, не образуется. Но со временем, когда этих точек набирается достаточно большое количество, на экране вырисовывается довольно четкая картина чередующихся темных и светлых полос, точно такая же, как в случае, когда они летели все вместе.
Рис. Постепенное формирование интерференционной картины на экране от 10, 100, 3.000, 20.000, 70.000 электронов. [A. Tonomura, J. Endo, H. Ezawa, T. Matsuda, T. Kawasaki: Am. J. Phys. 57 (2), p. 117 (1989)]
Получается, что каждый отдельный электрон как будто бы проходил через две щели одновременно, а затем интерферировал сам с собой. Но как такое возможно? Мы же видим, что каждый электрон оставляет на экране только одну точку. Он не разваливается на части, так что и в процессе движения к экрану мы бы тоже ожидали, что он пройдет только через одну из щелей.
А что, если мы подсмотрим, через какую из щелей он на самом деле прошел? Давайте поставим за обеими щелями детектор и будем фиксировать все пролетающие электроны – тогда мы сможем точно сказать, через какую из щелей пролетел каждый электрон. И тут нас ждет удивительное открытие – как только мы поставим детектор и будем «подсматривать» за электронами, интерференционная картина мгновенно пропадает и на экране больше не будет никаких чередующихся темных и светлых полос. Получается, что электрон как будто бы «чувствует», что за ним наблюдают, и начинает вести себя уже не как волна, а как обычная частица. Почему так происходит? Неужели сам факт присутствия наблюдателя или наше сознание каким-то образом воздействует на поведение электронов? На самом деле да! Только это воздействие на 100 % физическое, материальное, и виной всему детектор. Если бы его не было и мы бы просто думали об электронах, представляли, как они летят, или даже посылали им наши мысленные импульсы (что бы это слово ни означало), но при этом никак с ними не контактировали, то наше сознание не смогло бы изменить поведение электронов. Интерференционная картина от этого не испортилась бы. Для того, чтобы они стали вести себя как частицы, требуется довольно грубое (по меркам самих электронов) воздействие. Но давайте обо всем по порядку.
Идеальное наблюдение за физической системой должно происходить без вмешательства в нее со стороны наблюдателя, т. е. экспериментатор никак не должен менять состояние предмета своего наблюдения. Иначе он будет наблюдать не саму физическую систему, какая она есть, а то, как она реагирует на это внешнее вмешательство. Наверняка каждый из вас помнит открытые уроки в школе, когда в класс приходили посторонние люди: завуч, директор или кто-то из других учителей. Такие уроки, как правило, проходят совсем не так, как обычные: учителя более тщательно готовятся к занятию, ученики пытаются более внимательно слушать учителя и вести себя тише, все хотят показать себя с лучшей стороны[69]. Это пример эффекта наблюдателя, когда поведение системы изменяет сам факт наблюдения.
Так вот, с квантовыми системами происходит нечто подобное. Но тут можно возразить: ведь чтобы узнать, через какую из щелей пролетел электрон, достаточно всего лишь на него посмотреть. Неужели это так сильно на него повлияет? Оказывается, что да! Давайте рассмотрим более подробно, как устроен процесс наблюдения. Чтобы увидеть какой-то предмет (например, яблоко), нужно этот предмет осветить, т. е. направить на него поток фотонов. Тогда эти фотоны отразятся от предмета, попадут к нам в глаз, наш мозг обработает этот сигнал, и только после этого мы сможем сказать, что что-то увидели.
И если для макроскопических объектов воздействие источника света практически не ощутимо (фотоны по сравнению с яблоком ничтожно малы, так что просто неспособны никак повлиять на его состояние), то для электрона такая «бомбардировка» не проходит бесследно, поскольку размеры и масштабы энергий фотонов и электронов вполне себе соизмеримы. Так что невозможно «просто посмотреть» на электрон, не изменив его состояния.
Обсудим теперь, как процесс наблюдения выглядит на языке волновых функций электрона. Поскольку мы точно не знаем, через какую из щелей пролетел электрон, то можно сказать, что до наблюдения электрон находится в суперпозиции сразу двух состояний[70], назовем их «электрон проходит через щель номер 1» и «электрон проходит через щель номер 2» или просто состояния «1» и «2». Именно эти два состояния (а точнее – их волновые функции) и будут интерферировать (накладываться друг на друга), образуя ту самую интерференционную картину с чередующимися темными и светлыми полосами. Однако если мы решим подсмотреть за электроном, т. е. произведем наблюдение с целью выяснить, через какую из щелей он пролетел, то неизбежно повлияем на его состояние. Так происходит потому, что в квантовом мире любое наблюдение – это довольно грубое физическое воздействие. После измерения электрон уже будет описываться не суперпозицией состояний «1» и «2», а только одной из этих двух волновых функций. В копенгагенской интерпретации квантовой механики этот процесс (когда квантовая система переходит из суперпозиции нескольких состояний в какое-то одно) называется коллапсом волновой функции. Поэтому после процедуры наблюдения от суперпозиции двух состояний осталось только одно, и волновой функции электрона больше не с чем интерферировать. А значит, на экране больше не будет никакой интерференционной картины.
Так что сознание, безусловно, способно воздействовать на материю, изменяя поведение электронов (да и вообще всех окружающих нас предметов). Но это воздействие происходит не само по себе, как только мы о чем-то подумали. Для этого приходится пользоваться «посредниками» в виде детекторов, измерительных приборов или каких-то других подручных средств. Именно контакт с этими макроскопическими предметами изменяет состояние электронов, вынуждая их вести себя иначе.