Собственно, из дискуссии Эйнштейна с копенгагенцами появилась квантовая запутанность, неравенства Белла, теории скрытых параметров, кот Шрёдингера и прочее веселье.
И до сих пор эта дискуссия считается открытой. Третьего раунда мы не увидели. Но подготовка к нему продолжается уже целое столетие, и пока непонятно, когда закончится.
3.5. Котики и физики
В прошлых главах я распутывал запутанный клубок квантовой истории. Мы поговорили про начало квантовой физики, копенгагенскую интерпретацию, про знаменитое «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать» и вообще спор Эйнштейна с копенгагенцами. Эйнштейн поставил копенгагенскую интерпретацию в неопределенное положение. То ли она верна, то ли нет. Сейчас множество умов заняты попыткой хоть как-то понять, что верно, а что – нет. Так что клубок квантовой истории до сих пор остается запутанным.
Ну и какой клубок без котиков? Да, их в физике совсем даже не один.
Погнали!
Начнем с самого известного ученого кота. Кота Шрёдингера[24].
Говорить про самого кота Шрёдингера в классическом понимании скучновато. Давайте вкратце расскажу, чтоб стряхнуть пыль с этой истории.
Во времена бурных открытий квантового мира, когда Эйнштейн с компанией сформулировали свой ЭПР-парадокс, Эрвин Шрёдингер предложил мысленный эксперимент в поддержку этого веского «фи». Помещаем кота в непрозрачную коробку и кладем туда же колбу с ядом. А еще кладем чуточку усовершенствованный счетчик Гейгера и немножко радиоактивного вещества. Предположим, радий, для простоты.
Атом радия может распасться в любую секунду, и, если это случится, наш усовершенствованный счетчик Гейгера шарахнет примотанным к нему молоточком по колбе с ядом. Котику хандец.
Ну что, подготовительную часть выполнили, пора и к сути переходить.
Аккуратно закрываем ящик. Хотя можно и неаккуратно. Эксперимент-то мысленный, ничего нам не будет. Ну да ладно. Закрываем уже коробку, и с этого момента кот находится одновременно в двух состояниях. Либо частица распалась и яд убил нашего кота, либо же частица не распалась и кот жив.
Получается, что кот одновременно и жив и мертв. Все-таки знали что-то наши предки. Недаром у нас в сказках присказки типа «ни жив ни мертв» или «видимо-невидимо» понатыканы.
Такое состояние называется суперпозицией.
Реальность как бы размазана в вероятностях – жив кот или нет.
Как раз этот момент и возмутил Эйнштейна, Розена и Подольского. А вместе с ними Шрёдингера и еще половину ученого света.
Эксперимент вообще родился как развитие эйнштейновского примера с бочкой. Тот задавал неудобные вопросы и говорил, что мы не до конца понимаем квантовый мир и одними только суперпозицией и волновой функцией он не ограничивается. Эйнштейн предлагал рассматривать пороховую бочку, которая в любую секунду может воспламениться, как одновременно взорвавшуюся и невзорвавшуюся. Естественно, реальность тыкала всех носом в эти бочки. Вот, мол, стоят без всяких суперпозиций невзорванные, и баста. Никаких волновых функций не надо, нефиг рассусоливать эти ваши «вероятно жив», «вероятно мертв»… Но бочки не прижились, а вот идея Шрёдингера как-то запомнилась. Может, всем понравилось, что мысленный эксперимент безопасен для живых котиков или, наоборот, что с мысленными котиками можно проводить любые мысленные эксперименты.
В общем, чтобы узнать, как же там наш подопытный, нужно открыть коробку и провести измерение его состояния. И тут происходит то, что копенгагенцы называют коллапсом волновой функции. То есть мы размазанные вероятности собираем в определенный вердикт. Кот жив, или вот вам штраф от зоозащитников.
Вообще копенгагенцы начинают на этом моменте отмазываться, мол, кот у вас макроскопический, коробка тоже огромная, а значит, коллапс волновой функции происходит почти с самого начала эксперимента. Но здесь их, как правило, уже никто не слушает. Все переживают за котеньку.
А есть еще многомировая интерпретация. Суть в том, что в каждый такой момент наблюдения мы как бы раздваиваем вселенную на два варианта. В одной кот жив, а в другой мы закрываем коробку и сразу с ней же идем копать под какой-нибудь липкой в парке ямку.
На этот эксперимент накинули несколько модификаций. Вот вам первая. Называется парадокс Вигнера. Думаю, понятно, кто придумал, да?
В общем, теперь мы вводим в эксперимент еще и друзей наблюдателя. Экспериментатор открывает коробку и узнает состояние кота. Друзья ничего не знают, и в рамках большой огромной Вселенной кот все еще ни жив ни мертв. Пока экспериментатор всем друзьям не расскажет о результатах, в их кругу кот так и останется в суперпозиции. А потом друзья друзей, друзья друзей друзей…
Так что фактически, пока все на свете не узнают новость про кота, он будет жив. В мультфильме «Тайна Коко»[25] душа могла жить на том свете, пока о ней помнили. Тут примерно та же история.
Но все-таки большинство физиков считает, что даже неодушевленные предметы можно считать наблюдателями и просто обломать всю картину и четко обозначить состояние кота. Это примерно то же самое, о чем копенгагенцы говорили раньше, но их никто не слушал.
Вторая модификация эксперимента – про квантовое бессмертие.
Усаживайтесь поудобнее, сейчас я вам расскажу, что надо делать, чтобы быть бессмертным.
Естественно, это ни в коем случае не прямое руководство к действию, а то сейчас побежите исполнять, а мне потом сидеть и плакать. Это официальная версия мысленного эксперимента. Я мог бы придумать другую, но решил оставить оригинал.
Итак, шаг первый. Отбираете у Шрёдингера усовершенствованный счетчик Гейгера.
Шаг второй. Берете ружье, заряжаете его и ставите на штатив.
Шаг третий. Отламываете и выкидываете на фиг молоточек со счетчика. Привязываете счетчик к спусковому крючку ружья.
Шаг четвертый. Возвращаетесь к Шрёдингеру и забираете этот дурацкий радий. Возвращаетесь в комнату и встаете перед дулом ружья.
Можете закрыть глаза и представить себе что-нибудь приятное. А дальше у нас есть два варианта. Радий распался – ружье сработало. Радий не распался – вы живы. И так до посинения. В каждый момент наблюдения, когда вы подглядываете за происходящим, вы так же раздваиваете Вселенную на два альтерверса. Так вот, теперь к бессмертию. Если ружье сработало, что вы сможете сказать?
Ничегошеньки вы сказать не сможете. А когда сможете? А когда живы останетесь. Вы всегда будете наблюдать только один исход эксперимента. В многомировой интерпретации так и говорится, что участник никогда не сможет перестать существовать. Ну а копенгагенцы – пессимисты. В их варианте атом обязательно распадется когда-нибудь и…
В общем, все решает измерение и наблюдение.
3.6. Измеряй и властвуй!
Я много говорил про эксперименты, про измерение, состояния, суперпозицию и все такое. Но я не сказал, как физики понимают слово измерение.
Постараюсь сделать это без математики. Вроде простое слово, интуитивно понятное, но вот именно с такими обычно и возникают сложности.
В общем, измерение – это попытка ученых получить информацию о состоянии квантовой системы с помощью эксперимента. Про состояние я тоже скажу в этой главе, чуть позже. В общем, ученые хотят узнать, какого цвета банан, например. Они проводят эксперимент. Накидывают светофильтры, фиксируют количество фотонов одного цвета, другого, третьего, смотрят еще какие-то параметры. И по результатам измерений получают много-много значений. Я не знаю, кто как знаком с концепцией RGB, так что коротко расскажу. Это основные цвета, из которых наши мониторы уже собирают всю палитру. Красный, зеленый и синий. Даем много красного и синего – получаем фиолетовый, например. Я, конечно, так себе колорист, но принцип понятен. Настоящие колористы-дизайнеры смотрят на числа и говорят, что это зеленый цвет, а ученые измеряют количество фотонов разных цветов. И уже потом говорят, что банан зеленый, кладут его обратно на полку и приходят домой из магазина без бананов.
Тут важно не то, как сильно заморачиваются ученые над очевидными вещами, а то, что они называют вещи зелеными, спин полуцелым, а массу фотона нулевой только после серии экспериментов, измеряющих всевозможные значения. Я опускаю всякие страшилки типа собственных значений эрмитовых операторов, потому что меня они тоже пугают, откровенно говоря.
Но я могу сказать вот что. Квантовое состояние системы можно описать двумя вариантами. Помните, я говорил, что Шрёдингер доказал равнозначность двух подходов к описанию квантового мира? Вот как раз об этом и речь. Можно описывать квантовое состояние с помощью волновой функции, а можно описать все квантовые числа этой системы
Ладно, само измерение я описал. А что, если результаты измерения экспериментатору остались неизвестны? Такие измерения называют неселективными. Ну вот не можем мы что-то измерить. Тогда ученые описывают состояние системы матрицей плотности. Углубляться не буду, потому что начинается математика. Проще говоря, если мы в квантовой механике и так оперируем вероятностями, то с матрицей плотности начинаем описывать вероятности вероятностей.
Так что получается, что у нас есть два варианта измерения. И результаты описываются либо абсолютно точно, либо матрицей плотности. Если мы описываем абсолютно точное состояние, то происходит редукция фон Неймана, или коллапс волновой функции. Я много раз о нем говорил, но никогда, кажется, адекватно не расшифровывал. В общем, это мгновенное изменение описания квантового состояния, которое происходит при измерении. Прием чисто математический, поэтому на ограничения в скорость света можно не ориентироваться. Каким-то образом ученые даже оправдали редукцию перед принципом причинности.
Вроде бы кажется, что мы сначала измеряем что-то, и только из-за этого измерения у нас происходит наша редукция. В общем, могу ошибаться, но раз прием математический, то физически ничего не меняется и, значит, измерение не может быть причиной редукции. Нечему быть причиной. Такое вот оправдание пришло на ум мне. Не могу утверждать, что ученые говорят те же вещи, а накопать что-то однозначное не смог.