y = sin x. Но поскольку форма волны находится в постоянном движении по поверхности воды, которую можно «отобразить» или визуализировать в нашем сознании как ось x, мы можем ввести сюда время и получить y = sin (x – t). Пусть вас не смущает уравнение, его смысл довольно прост: волновая функция – это математическое представление волны, которое может описывать движение. Оно не только сообщает, как в данный момент выглядит форма волны, но и показывает, как она меняется во времени.
Все это представляет для нас интерес, потому что Вселенная состоит из бесчисленных частиц, которые, как мы знаем, имеют «волновую природу». В частности, количество в нашей Вселенной субатомных частиц, подобных электронам, равно числу 10 с восьмьюдесятью четырьмя нулями. Существуют и фотоны – частички света, которые мы рассматриваем как кусочки энергии. Фотонов в космосе примерно в миллиард раз больше, чем таких «твердых» субатомных частиц, как электроны. И все эти многочисленные точечные объекты, будь то электроны или фотоны, перемещаются теми способами, как описывает волновая функция! И если мы хотим знать, как и где что-либо движется, нам нужно смотреть на волны.
Во второй главе мы говорили, что электрон может перемещаться как прямолинейный луч или перпендикулярно (под прямым углом) к расширяющемуся, изгибающемуся фронту бегущей волны.
Рис. 4.1. Волны, создаваемые падающей каплей воды (слева). Демонстрация лучей и волновых фронтов (справа). На примере с брошенным в воду предметом видно, как круговые движущиеся наружу волны распространяются от точки падения и определяют так называемые волновые фронты.
Довольно сложным выражением, описывающим такую форму движения, является волновая функция. В квантовой механике волновая функция имеет свой собственный символ, греческую строчную букву psi – Ψ. Волновая функция квантовой частицы описывает волну, схожую с изображенной на рисунке выше, а лучи, движущиеся перпендикулярно ее волновым фронтам, являются возможными траекториями частицы.
Волновая функция такого объекта, как электрон, описывает вероятность наблюдения его в определенном месте, и это по сути всё, что можно узнать об объекте. В отличие от наблюдаемых нами макроскопических объектов с реальными заданными траекториями, будущее движение мириад крошечных частиц, составляющих Вселенную, может быть дано лишь как вероятность. Как бы мы ни старались, уравнение волновой функции не может точно указать, где находится электрон и как он движется. Вместо этого оно дает нам вероятности этих понятий, что ученые считают «достаточно хорошим».
Таким образом, волновая функция несет информацию, пусть и нечеткую, о возможных положениях частицы. Однако мы не можем воспринимать все из этих возможных позиций. Ненаблюдаемая волновая функция частицы может распространяться на обширную область возможных местоположений, но после проделанного нами наблюдения эта функция теряет широкий диапазон свободы и автоматически концентрируется вокруг четкого положения. Это мы только что и увидели. Переход от широкой волновой функции к узкой называется коллапсом волновой функции. Такой момент истины или эврика в жизни частицы или кванта света, сам момент ее рождения наступает, когда она отбрасывает странные и нелогичные свойства и принимает облик единственного и хорошо воспитанного объекта, в котором, как в чизбургере, больше нет ничего загадочного.
Как вы помните, в Квантовой стране, в царстве всего крошечного, частица типа электрона существует в состоянии, называемом суперпозицией. Это означает, что он делает всё для него возможное одновременно. Он находится на шоссе A, на шоссе Б, на обоих маршрутах и ни на одном из них в одно и то же время. В нашем представлении электрон в суперпозиции имеет несколько противоречивых состояний, существующих одновременно, например спин вверх и спин вниз. Однако в действительности ориентация вращения, к примеру, всегда является взаимоисключающей, и электрон не может отображать и то и другое – и у него всегда есть одно или другое в тот момент, когда он измеряется. Однако до момента измерения нельзя говорить об электроне как об имеющем какие-либо определенные свойства.
С макроскопическим миром всё иначе. Свет в вашей комнате либо включен, либо выключен, но не то и другое вместе, и уж точно не отсутствие того и другого. Мы наблюдаем, как после мощного удара бейсбольный мяч летит к дальней части поля. Его траектория нам понятна. Он не выбирает сразу два маршрута, один из которых будет засчитан, а другой нет. Либо попадет в зону, либо уйдет из нее, но не то и другое сразу. Он может подскочить и взлететь вверх или он просвистит быстро и низом, но не то и другое одновременно. В этом нет никакого смысла (и вдобавок, это бы сбивало с толку судей!).
Итак, на протяжении целого столетия физики задавались вопросом: что вынуждает поведение объекта переключаться из квантового царства в царство здравого смысла классической науки при его измерении? Что именно заставляет волновую функцию коллапсировать, после чего объект приобретает атрибуты реальной жизни? Если он находился в состоянии «сгодится всё», но после наблюдения становится реальным объектом, то логично предположить, что именно наблюдение и вызвало коллапс волновой функции… но если это так, то как оно возможно? С другой стороны, соответствие – не есть причинность. Мы имеем стопроцентную корреляцию: день всегда начинается с окончанием ночи. Эта связь неизменна, однако ночь не является причиной дня. Но если к коллапсу волновой функции приводит не наблюдение, то что же еще?
Наш рациональный ум входит в ступор, когда сталкивается с хитроумными моментами, возникающими при работе с крошечными объектами. Однако нам не приходится о них думать, если нужно, скажем, вычислить положение Луны. Один из таких моментов состоит в том, что измерение или даже наблюдение субатомного объекта всегда на него влияет просто потому, что любая получаемая нами информация всегда включает обмен энергией. Происходит следующее: когда вы что-то видите, фотоны или биты электромагнитной энергии воздействуют на клетки сетчатки, передавая электромагнитное взаимодействие – одну из четырех фундаментальных сил – атомам в этих клетках, и в результате вызывают возникновение электрических импульсов. Что вообще можно увидеть без обмена энергией? Процесс наблюдения сам по себе уже может изменить происходящее на фундаментальном уровне, хотя вы об этом даже не подозреваете. Ведь если мы включаем фонарик, решив посмотреть, что ночью делают мыши, мы изменяем их ночное поведение, и это автоматически приводит к ошибочным выводам.
Поэтому вопрос, как и почему наблюдатель «заставляет» вещи быть такими, какие они есть, – это проблема, которая требует максимума нашего внимания и которую труднее всего разрешить.
Ключи к разгадке дали нам бесчисленные эксперименты, среди которых – знаменитый эксперимент с двумя щелями, где электроны направляются к двум близко расположенным отверстиям в стенке. Если пучок достаточно широкий и у электрона есть равные шансы пройти через любую из щелей, мы создаем интересную ситуацию. Нам известно, что по правилам квантового мира каждый электрон в пучке существует как размытая волновая функция. Таким образом, он использует все возможности сразу и пройдет через оба отверстия. Затем разные части электронной волны интерферируют друг с другом и создают отчетливую, легко читаемую интерференционную картину на экране детектора в конце лабораторного стола.
А теперь мы повторим эксперимент, добавив на этот раз измерительное устройство для обнаружения того, через какую из щелей проходит электрон. На этот раз электрон утрачивает свое размытое существование в форме широкой волны вероятности, проходящей через обе щели, и вместо этого ведет себя как частица, проходя только через одну щель. Никакой интерференционной картины на экране не наблюдается.
Этот эксперимент с разными вариациями проводился за последние семьдесят лет бесчисленное количество раз. При этом единственной переменной, всегда приводящей к коллапсу волновой функции – или переходу электрона от нечеткого волнового поведения к классическому поведению частицы, – было наблюдение или измерение наблюдателем. В некоторых вариантах единственным, что менялось от одной версии эксперимента к другой, была информация в сознании наблюдателя! В этом случае, когда конечный датчик был настроен так, что компьютер шифровал и делал результаты непонятными, электрон сохранял квантовое поведение и проходил через обе щели, создавая при этом интерференционную картину. Но стоило выключить шифровальщик, чтобы наблюдатель получал достоверную информацию, в какую щель или щели проник электрон, то в ту же наносекунду интерференционная картина исчезала, а электрон проходил только через одну щель – и даже задним числом! Получается, что частица или волна, чей путь явно меняется от «обеих щелей» до «одной щели», зависит исключительно от того, что известно человеку, сидящему в комнате! Это страшно себе представить.
На протяжении целого столетия физики задавались вопросом: что вынуждает поведение объекта переключаться из квантового царства в царство здравого смысла классической науки при его измерении
Но иного попросту не дано. Каким-то образом факт наблюдения является причиной перехода от квантового к классическому. Конечно, ученые перебрали все иные возможные объяснения. Было высказано предположение, что частица с квантовым поведением может утратить все свои квантовые характеристики из-за волновой интерференции, просто оказавшись в компании макроскопических объектов и подвергнувшись их влиянию. Или на частицу может действовать гравитация. Однако всякий раз возникали нестыковки. И продолжаются споры о том, должен ли наблюдатель быть живым сознательным существом. Многие исследователи утверждают, что любое взаимодействие или измерение «заставляет» фотон или субатомную частицу приобретать определенные свойства и поэтому может считаться наблюдением, разрушающим его волновую функцию. Строго говоря, одних свойств наблюдателя достаточно, чтобы вызвать одни физические эффекты, а другие свойства вызывают другие эффекты. По множеству причин в этом трудно разобраться, но есть и очевидные причины. Конечно, мы можем проводить измерения при помощи автоматических приборов. Но все наблюдения (даже сделанные приборами) становятся известны нам только благодаря сознанию. Если же никто и никогда не смотрит на результаты, то проблема остается размытой и спекулятивной. Более того, как мы узнаем в главе 11, чтобы установить стрелу времени, у наблюдателя должна быть память. Отсюда появляются причинно-следственные связи во всем, что мы наблюдаем вокруг себя. (Если вам интересна эта тема – в приложении 1 мы продолжим обсуждение проблемы наблюдателя.)