Нильс Бор.
Legion-Media.
Такой взгляд на квантовый мир, принятый на протяжении нескольких десятилетий, известен как «копенгагенская интерпретация» (КИ) квантовой механики, поскольку Нильс Бор жил именно в этом городе. Название, придуманное Вернером Гейзенбергом, вызвало серьезное раздражение у Макса Борна: он не входил в группу Бора и не работал в Копенгагене, однако его идея квантовой вероятности стала частью этой интерпретации. Однако в конце 1920-х гг. Нильс Бор доминировал в дискуссиях о квантовой физике, и дело не ограничилось названием. Бор так разнес альтернативную (вполне жизнеспособную) интерпретацию, что ее почти позабыли на два десятилетия. Чуть позже я представлю эту теорию как Утешение 2.
Бор был прагматиком, готовым собрать работающую теорию из обрывков различных идей, не слишком беспокоясь о том, что все это значит. В результате четкой и определенной формулировки КИ у нас просто нет, хотя Бор был весьма близок к тому, чтобы огласить ее на конференции в Комо в 1927 г. — задолго до того, как копенгагенская интерпретация обрела название. Конференция в Комо стала поворотным пунктом в истории физики. Именно на ней физики познакомились с инструментами, необходимыми, чтобы «заткнуться и считать», применяя квантовую механику к решению практических задач с участием атомов и молекул (к примеру, в области химии, лазеров и молекулярной биологии) и не задумываясь о фундаментальной основе и смысле явлений.
Прагматичный подход Бора распространялся и на его интерпретацию. Он говорил, что мы не знаем ничего, кроме результатов экспериментов. А результаты зависят от того, что, собственно, мы хотим измерить, — то есть от вопросов, которые считаем нужным задать квантовому миру природы. Однако эти вопросы окрашены опытом нашего повседневного существования в масштабе, намного превышающем масштаб атомов и других квантовых объектов. Мы можем предположить, что электроны — это частицы, и построить эксперимент для проверки этой гипотезы путем измерения импульса электрона, при этом электрон мы представляем себе в виде крохотного бильярдного шара. Мы проводим измерения, и — ну надо же! — нам это удается, что подтверждает гипотезу о том, что электрон — частица. Но допустим, что одна наша приятельница, считающая, что электрон — волна, подготовила эксперимент по измерению длины этой волны. И — надо же! — это ей удалось, что подтверждает идею о волновой природе электрона.
«Ну и что», — отвечает нам Бор. Из того, что электрон ведет себя, как если бы он был частицей, когда вы ищете частицы, или как если бы он был волной, когда вы ищете волны, отнюдь не следует, что он на самом деле является тем или другим, а тем более — тем и другим одновременно. На что смотрите, то и получаете, а то, на что вы смотрите, зависит от того, что вы решили искать. Согласно КИ, бессмысленно задаваться вопросом, что представляют собой квантовые объекты, такие как электроны и атомы, и что они делают, когда их никто не измеряет — или не смотрит на них, если вам так больше нравится.
Пока все логично, беспокоиться не о чем. Но Бор быстро заводит нас в мутные воды. Именно здесь в дело вступает вероятность. Шрёдингер, предлагая свое волновое уравнение, считал его буквальным описанием электрона (или другого квантового объекта; просто электрон — простейший пример, его удобно использовать в качестве иллюстрации). Для него электрон действительно был волной. Однако, приняв от Шрёдингера эстафетную палочку, Бор устремился в другую сторону: он совместил волновое уравнение Шрёдингера с идеями Макса Борна о квантовой вероятности. Получилась очень странная, даже немного пугающая смесь, которая работала (и работает до сих пор), когда дело касается квантовых расчетов, но стоит перестать о ней думать, как тут же начинает болеть голова. В этой новой картине выведенное Шрёдингером уравнение предлагается рассматривать как «волну вероятности», а шанс обнаружения электрона в конкретной точке определяется «квадратом волновой функции»; для этого уравнение, описывающее волну как таковую, по сути, в каждой точке умножают само на себя. Когда мы измеряем или наблюдаем квантовый объект, волновая функция «схлопывается» в точку, определяемую вероятностями. И хотя одни локации более вероятны, чем другие, в принципе, электрон мог бы появиться в любой точке из тех, на которые распространяется волновая функция. Приведем один очень простой пример, который подчеркнет странность такого поведения.
Представьте себе единичный электрон, запертый в ящике. Волна вероятности распространяется так, что равномерно заполняет этот ящик, и это означает, что шансы обнаружить электрон в любой точке внутри ящика абсолютно одинаковы. Разделим ящик пополам перегородкой. Здравый смысл подсказывает нам, что теперь электрон должен оказаться в одной из половин ящика. Но копенгагенская интерпретация (КИ) утверждает, что волна вероятности по-прежнему заполняет обе половины ящика и электрон с равной вероятностью может быть обнаружен по любую сторону от перегородки. Теперь распилим ящик вдоль по центру перегородки и получим два ящика. Один оставим в лаборатории, а второй поместим в ракету и отправим на Марс. Согласно Бору, у нас по-прежнему будут равные шансы — 50/50 — обнаружить электрон в ящике в лаборатории или в таком же ящике на Марсе. Теперь откроем ящик, оставшийся в лаборатории. Мы либо обнаружим в нем электрон, либо нет, но волновая функция в любом случае схлопнется. Если ящик в лаборатории пуст, электрон находится на Марсе; если же электрон обнаружен, то ящик на Марсе пуст. Это не то же самое, что сказать, что наш электрон «всегда находился» либо в той половине ящика, либо в этой: КИ настаивает, что схлопывание происходит только тогда, когда проверяется содержимое ящика в лаборатории. Это суть идеи, стоящей за парадоксом ЭПР и знаменитой загадкой Шрёдингера про кота, живого и мертвого одновременно. Но прежде чем углубиться в эту историю, я хочу посмотреть, как копенгагенская интерпретация объясняет эксперимент с двумя отверстиями.
Согласно КИ, которую преподавали мне в бытность студентом и до сих пор преподают слишком многим как «единственный» способ «понимания» квантовой механики, электрон испускается из некоего источника — электронной пушки — с одной стороны экспериментальной установки как частица. И сразу же растворяется в «волну вероятности», которая распространяется по установке и направляется к экрану детектора с другой ее стороны. Эта волна проходит через все открытые отверстия, интерферируя сама с собой (или нет, как получится), и, дойдя до детектора, отображается как рисунок вероятностей, который распределяется по экрану. В этот момент волна «схлопывается» и вновь превращается в частицу, положение которой на экране определяется случайным образом, но в соответствии с этими вероятностями. Это называется «схлопыванием» (коллапсом) волновой функции: электрон путешествует как волна, но на место прибывает как частица.
Эрвин Шрёдингер.
Legion-Media.
Волна, однако, несет с собой не только вероятности. Если у квантового объекта есть выбор, в каком состоянии пребывать (к примеру, электрон может обладать положительным или отрицательным спином), оба эти состояния каким-то образом включены в его волновую функцию. Такая ситуация называется «суперпозицией состояний», а состояние, в котором в итоге оказывается квантовый объект в момент его обнаружения или взаимодействия с другим объектом, также определяется в момент схлопывания волновой функции. В 1955 г., читая лекцию в Сент-Эндрюсском университете, Вернер Гейзенберг сказал, что «переход от „возможного“ к „действительному“ происходит во время акта наблюдения».
Этот метод вполне годится для расчета квантового поведения, словно электроны и подобные им объекты на самом деле поведут себя именно так. В то же время метод порождает множество трудных вопросов. Один из них обнаруживается в так называемом эксперименте «с отложенным выбором», придуманном физиком Джоном Уилером. Начал он с того, что фотоны, которые выстреливаются по одному в эксперименте с двумя отверстиями, все же образуют на экране детектора интерференционную картину. Но, согласно КИ, если поместить между экраном с отверстиями и экраном детектора устройство, которое будет отслеживать, через какое именно отверстие прошел очередной фотон, интерференционная картина исчезнет, демонстрируя тем самым, что каждый фотон действительно прошел только через одно отверстие. Об «отложенном выборе» говорят потому, что мы можем принять решение — наблюдать нам за фотонами или нет — уже после того, как они пройдут сквозь экран с двумя отверстиями. Разумеется, человеческие реакции для этого слишком медленны. Но такие эксперименты были проведены с использованием автоматических устройств, которые включали или выключали мониторы после прохождения фотонами экрана с отверстиями. Эксперименты показывают, что интерференционный рисунок действительно исчезает, когда за фотонами наблюдают, а значит, каждый фотон (или соответствующая волна вероятности) проходит лишь через одно отверстие — притом что решение о наблюдении этого фотона принимается уже после того, как он прошел экран с отверстиями.
Уилер предложил вообразить аналогичный эксперимент в космическом масштабе. Известно явление гравитационного линзирования: свет от далекого объекта, такого как квазар, фокусируется гравитацией промежуточного объекта, скажем галактикой, и обходит эту своеобразную гравитационную линзу двумя (или более) путями. В результате в детекторах здесь, на Земле, появляется двойное изображение объекта. В принципе, вместо получения двух изображений можно было бы смешать свет, прошедший различными путями, и получить интерференционную картину волн, обошедших гравитационную линзу по разным траекториям. Этакая космическая версия эксперимента с двумя отверстиями. Но мы можем наблюдать фотоны прежде, чем они сформируют интерференционную картину, и отследить, каким именно путем они прошли вокруг линзы. Тогда, судя по результатам лабораторных экспериментов, интерференционная картина должна исчезнуть. Допустим, квазар находится от нас на расстоянии 10 млрд световых лет, а галактика, играющая роль гравитационной линзы, — на расстоянии 5 млрд световых лет. Согласно результатам уже известных экспериментов, на то, что эти фотоны делали миллиарды лет назад и за миллиарды световых лет отсюда, воздействует то, что мы решаем измерить здесь и сейчас. Что вообще происходит? Как выразился сам Уилер, «копенгагенская интерпретация велит нам не задавать подобные вопросы»