Квантовая реальность кота Шрёдингера

Иллюстрация: Mopic/Shutterstock
// Физики провели эксперимент: кот действительно и жив и мёртв одновременно
Алексей Торгашёв при участии Ивана Шунина, Бурхана Биглова, Дамира Давлетбаева, Олега Теряева и других классических систем

«Вы действительно верите, что Луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите?» — с этой цитаты из Эйнштейна начинается статья шестерых австралийских физиков, опубликованная в феврале в журнале Nature Physics.

Название самой статьи тоже вполне нетривиально: Measurements on the reality of the wavefunction. То есть ученые проверили, реальна ли волновая функция — центральное понятие квантовой механики. Авторы с места в карьер ставят вопросы, о которых ученые спорят с 20-х годов прошлого века: что мы на самом деле измеряем, когда изучаем отдельные частицы? 

Эрвин Шрёдингер (1887-1961) — австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933). Вывел волновое уравнение, сейчас известное как уравнение Шрёдингера. 

Волшебный мир квантовых систем ведет себя двусмысленно. Например, летает электрон вокруг ядра атома. Потом приходит ученый с приборчиком и пытается понять, где конкретно находится электрон в этот самый момент. Он делает сто тысяч измерений и видит, что электрон, собственно, не летает — он просто «возникает» то там, то сям вблизи ядра. Причем не каким-нибудь случайным образом, а в определенной закономерности. И вероятность того, что электрон обнаружится в каком-то конкретном месте, можно вычислить. Самое неприятное здесь в том, что вычисляется именно вероятность: «Электрон находится здесь на 25%, там на 40%, а еще там, там и там…»

Вот мы и рассказали, что такое волновая, или ᴪ-функция. Как раз она и показывает математическую вероятность того, где частица находится.

Придумал такое, как мы с вами понимаем, в 1926 году Эрвин Шрёдингер, именем кота которого назван наш журнал.

Вычислять волновую функцию физики научились очень здорово, но сразу начались философские проблемы, из-за которых скандалили Бор с Эйнштейном. Здание квантовой физики, в фундамент которого легла волновая функция, стояло прочно, но чуть ли не в каждую квартиру этого дома заселились парадоксы. Например, нельзя одновременно узнать импульс и координату частицы; другой пример — два фотона, разнесенные на космические расстояния, каким-то образом «чувствуют» друг друга… С нашим электроном на орбите тоже не всё в порядке: в момент, когда мы его «ловим» нашим приборчиком, он перестает быть квантовым объектом и становится классическим. Грубый макроскопический мир вторгся в мир частиц и вступил с ним в конфликт.

Встал вопрос: что происходит, когда мы измеряем состояние квантовой системы, ловим тот же электрон, например? Даже не так: измеряем ли мы действительно ее состояние, или нам доступен лишь статистический набор данных, а причину того, почему электрон себя так ведет, нам понять не дано?

По волновой функции можно определить вероятность того, жив кот или мёртв. Но это не всё: до тех пор пока ящик не открыли, кот является квантовым объектом. Он одновременно и жив и мёртв с какой-то вероятностью.

Радикальный ответ дал Нильс Бор и его последователи: в тот момент, когда мы измеряем квантовый объект, он автоматически становится частью макромира и ведет себя по правилам обычной классической физики. То есть, измеряя, мы разрушаем квантовую систему. Называется «коллапс волновой функции». Понять, почему так происходит, мы не можем, но эксперименты это подтверждают.

Берем тот же мысленный эксперимент с котом Шрёдингера. Он простой. В ящик с радиоактивным атомом на час сажают кота. В ящике также находится капсула с ядовитым газом, которая разбивается, если атом распадется. По волновой функции можно определить вероятность того, жив кот или мертв. Но это не всё: до тех пор пока ящик не открыли, кот является квантовым объектом. Он одновременно и жив и мертв с какой-то вероятностью.

Хью Эверетт III (1930-1982) — американский физик, который в 1957 году предложил многомировую интерпретацию квантовой механики, названную «относительностью состояния». Эта интерпретация фактически говорит о том, что во время каждого события рождаются параллельные вселенные. Многомировая интерпретация — вторая по популярности у физиков после копенгагенской.

Бор и так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики решают парадокс просто: нам неинтересно, что происходит с котом внутри ящика, мы этого не знаем, а вот когда откроем, то увидим либо однозначно живого, либо однозначно мертвого. Нам суждено довольствоваться ограниченным знанием, поэтому волновая функция — лишь наше описание реальности квантового мира.

Фактически это означает, что мы ничего не можем говорить о том, что не можем видеть. Этого как бы и не существует, что и раздражало Эйнштейна, когда он спрашивал про Луну.

Однако человеческий ум с ограниченностью знания смириться не может. Появилось несколько интерпретаций того, что мы наблюдаем. Например, Дэвид Бом ввел понятие скрытых параметров — чего-то, что стоит за поведением квантов и волновой функцией. Потом эти идеи развивал Джон Стюарт Белл, чьи неравенства удалось проверить экспериментально и показать, что на близких расстояниях никаких скрытых параметров нет.

Еще был Хью Эверетт, придумавший многомировую интерпретацию: при каждом событии мир делится на части, связанные друг с другом. Интерпретация чудовищная в своей грандиозности, но довольно популярная у физиков до сих пор…

Дым сражений за философские основы понимания природы нисколько не рассеялся и в наши дни. Появились изощренные инструменты, которыми физики проверяют, что же лежит в основе реального мира.

Итак, мы добрались до 2015 года, до публикации австралийских ученых. В экспериментах с поляризованными фотонами они проверили, реальна ли волновая функция, или мы пользуемся ею за неимением лучшего описания реальности. Оказалось — да, волновая функция реальна. 

 

Доктор Алессандро Федрицци из Университета Квинсленда рассказал нам о результатах опытов.

[Кот Шрёдингера] Что вы понимаете под «объективной реальностью» в контексте интерпретаций квантовой механики?

[Алессандро Федрицци] Говоря «объективная реальность», мы подразумеваем, что свойства квантовых объектов четко определены как до измерения, так и после (то есть что объективная реальность существует независимо от того, «смотрим мы на Луну или нет», и можно узнать ее свойства, не разрушая в эксперименте. — «КШ»).

Существуют три наиболее общих подхода к интерпретации объективной реальности и того, что волновая функция нам о ней рассказывает. Первый: объективной реальности не существует. Второй: она существует, и волновая функция описывает эту реальность в пределах наших ограниченных знаний о ней. Третий: она существует, и волновая функция строго соответствует реальности.

В нашей работе мы изначально игнорируем первый вариант и исключаем [по результатам эксперимента] наиболее распространенные интерпретации в рамках второго.

[КШ] Было ли целью эксперимента отличить объективную реальность от субъективной?

[АФ] Мы совершенно определенно не пытаемся проводить различие между «реальностью» и «нереальностью».

[КШ] Вы употребляете термины «эпистемические модели» и «онтологические». Как популярно объяснить разницу между ними?

[АФ] Замечательным примером, как нам кажется, служит кот Шрёдингера. Давайте предположим, что объективная реальность существует независимо от наблюдений. «Эпистемицист» в этой ситуации скажет, что кот или определенно жив, или определенно мертв и что волновая функция «жив + мертв» просто выражает наше неведение, в каком же именно состоянии он находится. Поэтому здесь нет никакой реальной проблемы. Мы можем просто открыть ящик и узнать, в каком же все-таки состоянии кот.

Мы, однако, исключили подобное объяснение. В онтологических теориях объективная реальность такова, что кот действительно и жив и мертв в одно и то же время.

[КШ] Но тогда кот одновременно является и квантовой системой, и классической. Что может чувствовать классическая система «кот», находясь в ящике в состоянии квантовой суперпозиции?

[АФ] У меня нет ответа, это очень метафизический вопрос. Сам тот факт, что кот, будучи предположительно классическим объектом, не должен находиться ни в какой суперпозиции… Это проблема популярного объяснения эксперимента.

[КШ] Почему так важно доказательство существования волновой функции?

[АФ] Волновая функция — центральный объект квантовой механики. Разве не поразительно, что мы не имеем ни малейшего представления о том, что это такое на самом деле? Ответ на этот вопрос, возможно, и не имеет непосредственного применения для какого-либо технологического прорыва, однако обладает огромной важностью, философски и фундаментально.

[КШ] Результат вашего эксперимента означает, что копенгагенская интерпретация ошибочна? Вы склоняетесь к многомировой интерпретации Эверетта?

[АФ] «Копенгаген» жив и здоров, поскольку вообще исключает вопрос, стоит ли объективная реальность за волновой функцией. Эта интерпретация относится к той группе, которую мы отметаем в самом начале. Если же вы верите в объективную реальность, тогда интерпретация Бома и многомировая интерпретация выглядят убедительнее.

Другие варианты были исключены экспериментом. Остались, конечно, некоторые лазейки...

 

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №3 (05) март 2015 г.

Подписаться на «Кота Шрёдингера»