Кот Шрёдингера. Копенгагенская интерпретация

Кот Шрёдингера

Шрёдингер придумал яркий пример в поддержку эйнштейновского утверждения о том, что квантовая физика фундаментально несостоятельна. Ситуация проста, хотя и намеренно жестока; скорее всего, это сделано для того, чтобы привлечь ваше внимание и заставить как следует оценить когнитивный диссонанс, который порождает эта история.

Шрёдингер предлагает представить кота в коробке. Кроме кота, там имеется один радиоактивный атом, распад которого с вероятностью 50 % должен произойти в течение ближайшего часа. Если он распадется, то запустит механизм, убивающий кота. Для наглядности Шрёдингер предлагает молоток, разбивающий ампулу с синильной кислотой. Хотите увидеть изображение? Поищите в сети словосочетание «кот Шрёдингера».

Если вы откроете коробку ровно через час, то с вероятностью 50 % увидите мертвого кота и с вероятностью 50 % – живого. Кажется, все довольно просто, хотя и негуманно. (Не пытайтесь проделать это дома. )

Что здесь представляет загадку и что, собственно, беспокоило Эйнштейна и Шрёдингера, так это то, как ситуация описывается на языке квантовой физики. Согласно стандартному подходу, которым пользуются практически все физики, амплитуда[176], описывающая атом и кота, эволюционирует на протяжении всего часа. Первоначально она описывает живого кота и целый, нераспавшийся атом. Но с течением времени амплитуда меняется. В конце часа она состоит из двух равных частей: та, что описывает мертвого кота и фрагменты распавшегося атома, накладывается на ту, в которой кот жив, а атом цел. Пока кто‑ нибудь не заглянет в коробку, кот одновременно и мертв, и жив, то есть находится в суперпозиции (наложении) двух состояний. Согласно этим правилам, акт открывания коробки и заглядывания внутрь представляет собой измерение, а при измерении волновая функция сразу же коллапсирует, и у вас остается только одна реальность вместо суперпозиции двух. Кот, когда на него смотрят, либо совершенно жив, либо совершенно мертв, он больше не может пребывать в двух состояниях одновременно. Но упрощение ситуации происходит только в тот момент, когда вы заглядываете в коробку.

Я попросил мою жену Розмари (она архитектор) прочесть эту главу. Часть текста, посвященная коту Шрёдингера, аккурат до этого места, показалась ей совершенно невероятной. Она наотрез отказалась поверить, что какой бы то ни было ученый мог всерьез постулировать кота, который был бы одновременно живым и мертвым. Сама концепция настолько абсурдна, настолько нелепа, что она остановилась на этом месте и отказалась читать дальше, пока я не исправлю это глупое описание, из которого у читателя может сложиться впечатление, что в квантовой механике в самом деле содержится такая чепуха.

Спросите об этом любого физика. Именно так все и обстоит. Можете утешиться: вас беспокоит то же самое, что мучило Эйнштейна и Шрёдингера и что заставило последнего придумать этот безумный пример. Вот что я сказал Розмари, и она согласилась продолжить чтение, хотя, может, и против собственного желания. (А еще она разрешила описать ее впечатления, в утешение другим читателям. )

Шрёдингер и Эйнштейн считали историю про кота типичным образцом reductio ad absurdum – полемического приема, известного как «доведение до абсурда»; они были уверены, что в этом случае нелепый вывод наглядно продемонстрирует: квантовая физика противоречит здравому смыслу, а потому неверна. Пока кто‑ нибудь не посмотрит – кот одновременно и жив, и мертв? Да ладно вам! По мнению ученых, этот пример должен был окончательно решить дело, прекратить все споры и продемонстрировать, что квантовая физика фундаментально ущербна.

Макс Борн[177] и Вернер Гейзенберг[178], зачинатели и активные сторонники вероятностной интерпретации, отказались признать ошибку. Да, история кота Шрёдингера звучит нелепо, но точно так же звучали и рассказы о замедлении времени и сжатии пространства, когда их впервые предложил Эйнштейн. Даже теория о том, что обычное вещество состоит из атомов, когда‑ то не укладывалась в рамки здравого смысла. В истории с котом нет никаких противоречий – просто сама ситуация идет вразрез с нашими интуитивными представлениями.

Описанный здесь спор произошел около 80 лет назад. И как же обстоит дело сегодня? Вот замечательный ответ: практически все физики согласны с точкой зрения Борна− Гейзенберга. Тем не менее абсурдность ситуации с котом Шрёдингера так и не получила удовлетворительного объяснения. Как же современные физики реагируют на reductio ad absurdum – этот нелепый пример? Никак. Кот Шрёдингера и сегодня не дает им покоя, если вдруг о нем вспоминают, но чаще физики предпочитают игнорировать эту проблему и двигаться дальше.

Копенгагенская интерпретация

Подход Борна и Гейзенберга (а они тоже были основателями квантовой физики) получил название копенгагенской интерпретации; так назвал его Гейзенберг в честь города, где он работал ассистентом у Нильса Бора. Сегодня большинство физиков принимают копенгагенскую интерпретацию. Эйнштейн продолжал оспаривать ее до конца своих дней (1955). И до сих пор организуются встречи, на которых немногочисленные гордецы сомневаются в реальности квантовой физики, ведут долгие математические и эзотерические дискуссии по поводу возможных альтернатив, но основная масса специалистов эти собрания игнорирует. Квантовая физика работает; молчаливому большинству физиков этого достаточно. Задайте кому‑ нибудь из них вопрос и, скорее всего, услышите в ответ что‑ нибудь вроде: «Знаю, это звучит странно, но у нас нет никакой возможности сказать, жив кот или мертв, без того чтобы повлиять на результат, так что мы просто не в состоянии различить эти ситуации».

Некоторые ученые неверно понимают квантовую физику и ошибочно считают, что кот либо жив, либо мертв, но не то и другое одновременно, а наблюдатель просто не может знать, в каком кот состоянии, пока не откроет коробку. Именно так считали Эйнштейн и Шрёдингер. В настоящее время такой подход называется теорией скрытых параметров (переменных). В этом случае скрытым параметром будет живость кота. Именно так часто рассказывают студентам в курсе квантовой физики, но копенгагенская интерпретация не об этом. И, как я вам покажу, эксперименты с квантово‑ механическим свойством, известным как запутанность, позволяют сделать вывод, что верна именно копенгагенская интерпретация, а не точка зрения Эйнштейна и Шрёдингера, связанная со скрытыми параметрами. В главе 19 я опишу первый такой эксперимент, проведенный Стюартом Фридманом[179] и Джоном Клаузером[180]. (Нет, кота они к своим экспериментам не привлекали. ) Наилучшая теория из всех существующих говорит о том, что действительно копенгагенская интерпретация верна: кот одновременно жив и мертв до момента измерения[181].

Но разве нельзя раньше определить, умер ли кот, по состоянию тела, температуре крови или каким‑ то другим физиологическим признакам? На самом деле волновые функции атома и кота должны включать все возможные значения времени распада с надлежащими весами, которые отражали бы вероятность раннего и, напротив, позднего радиоактивного распада. (Если вы включите в свое измерение этот дополнительный аспект, то и амплитуда у вас получится несколько более сложной, чем просто число. ) Если заглянете в коробку или, скажем, вставите туда термометр, это действие тоже будет считаться измерением. Открыв коробку, вы можете увидеть как только что погибшего кота, так и кота, который, судя по виду, пролежал мертвым почти час, несмотря на то что, по копенгагенской интерпретации, всего мгновение назад его судьба еще не была решена.

Неужели кот ничего не чувствовал? Что мы подразумеваем под измерением? Нужен для этого человек, или, может быть, кот сам может выполнить измерение? А если мы заменим кота человеком? Как бы поразительно и тревожно это ни звучало, ответ на все наши вопросы одинаков: мы не знаем. Достоверной теории измерения пока не существует. Это лишь мечта физиков. И эта пока не сформулированная теория измерения – именно то место, где, по мнению некоторых ученых, может скрываться правда о происхождении времени, стреле времени и скорости его хода. Заглядывая в коробку, вы воздействуете только на будущую амплитуду; в будущем кот присутствует либо живым, либо мертвым. Вы не можете повлиять на прошлую амплитуду, включавшую в себя кота одновременно живого и мертвого. Таким образом, здесь имеется асимметрия – нечто новое в физике, отличающее прошлое от будущего.