Причудливость квантовой теории

Одной из таких далеко не самых захватывающих проблем в эти годы занимался профессор Берлинского университета Макс Планк. Он практически всю жизнь работал над так называемым вторым началом термодинамики (о самом втором начале и термодинамике в целом нам еще придется поговорить, но позже) и как раз изучал спектр (распределение энергии) одного из видов светового излучения. Для описания этого спектра Планк предложил формулу, введя в нее кванты, т. е. отдельные порции энергии. Иными словами, Планк предложил рассматривать световое излучение как набор энергетических сгустков, причем эти сгустки имели совершенно определенные количественные значения.

Сам Планк был уверен, что предложенное им решение – временное, чисто математический прием, не имеющий к реальности никакого отношения. Но тем не менее 14 декабря 1900 года он озвучил свою формулу в докладе на заседании Немецкого физического общества. Собственно, теперь эта дата и считается датой рождения квантовой механики.

Но это теперь, а тогда Макс Планк еще многие годы не мог смириться с собственным открытием и всё пытался разыскать «истинное» решение задачи. Не поверил он и Эйнштейну, который пятью годами позже, в 1905 году, показал, что световое излучение действительно квантовано и хотя представляет собой волну, но одновременно и поток таких энергетических квантов, названных фотонами, о чем теперь знает (по крайней мере, должен знать) каждый школьник. А само явление, когда что-либо проявляет себя то как волна, то как частица, стали называть корпускулярно-волновым дуализмом.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858–1947), немецкий физик-теоретик, родоначальник квантовой механики, лауреат Нобелевской премии.

Причем выяснилось, что в квантовом мире такими свойствами обладают все материальные объекты: и поля, и элементарные частицы, и сами атомы, и даже определенные молекулы, которые к квантовому миру и не отнесешь, т. е. вся материя! А мы то с вами, которые из всего этого состоим, чем хуже? Как было бы удобно: становишься то таким, то сяким по необходимости. Хочешь себя утвердить (в прямом смысле слова) – проявляешь «корпускулярность» своих атомов. Нужно куда-нибудь быстренько переместиться, или проникнуть в щелочку, или даже сквозь какую-нибудь не слишком плотную стену, перешел в волновое состояние и полетел со скоростью близкой к скорости света… Но нет, пока не у всех получается.

Замечательной иллюстрацией необычного поведения волн-частиц микромира служит так называемый двухщелевой эксперимент. В самом начале XIX века с его помощью английский физик Томас Юнг «доказал», что свет – это волна (со времен Ньютона свет как раз считали потоком частиц). В XX веке этот эксперимент (и по сей день физики нет-нет, да проведут какую-либо из его разновидностей) позволил осознать двойственную природу микромира. То есть оказалось, что правы оба: и Ньютон, и Юнг.

Чтобы понять, что представляет собой этот эксперимент и к каким удивительным выводам он приводит, предлагаю посмотреть этот замечательный пятиминутный мультфильм:

Как только не изощрялись экспериментаторы (в том числе и в последние десятилетия), чтобы обмануть непокорные частицы: пытались изменить условия эксперимента прямо по ходу, например мгновенно вводя в действие, или, наоборот, исключая сложные детекторы, которые должны были фиксировать волновые или корпускулярные свойства частицы буквально на полпути от источника к экрану. Никакого эффекта эти манипуляции не дают. Если ученые пытаются зафиксировать электрон (фотон, нейтрон, протон и т. п.) как частицу, он всегда проявляет себя как частица: отображение на экране будет точечным. Если же в этом же эксперименте не пытаются этого делать или измеряют исключительно его волновые свойства, то проявляет себя как волна.

Всё это дало возможность некоторым физикам утверждать, что говорить, будто электрон обладает волновыми свойствами неверно. Волновыми свойствами обладает некая физическая реальность, которая при измерении проявляет себя как электрон (то же можно сказать о любой другой частице).

Но это только начало странностей, самое странное, конечно, впереди.

Представление о микромире как области всеобщего корпускулярно-волнового дуализма сформировалось у физиков к середине 20-х годов прошлого столетия. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер пришел к ключевому для квантовой физики понятию – волновой функции, которая отражала состояние микрообъектов. Он же сформулировал уравнение, описывающее изменение этого состояния во времени (которое стало основным уравнением квантовой механики). В том же году физик и математик из Германии Макс Борн предложил так называемую вероятностную интерпретацию волновой функции. После его работы стало очевидно, что волновая функция – это «волна вероятности» поведения квантовых систем. И что квантовая механика, в отличие от классической, – это наука, оперирующая  лишь вероятностями.

Все точки над i в этом вопросе расставил Вернер Гейзенберг, в тот момент новоиспеченный профессор Лейпцигского университета, сформулировав так называемый принцип неопределенности. Суть этого принципа сводится к тому, что невозможно одновременно установить координаты частицы и ее импульс (скорость). Так, если исследователь с достаточно высокой вероятностью определит местоположение частицы, то ее скорость останется для него тайной за семью печатями. И наоборот.

Вот и приходится физикам находить лишь вероятности местоположения частиц и их скорости. А привычное для многих из нас школьное пособие – модель атома, где вокруг ядра по своим орбитам вращаются электроны, на самом деле очень далека от реальности. Никаких орбит у электронов нет, а они образуют что-то типа окружающих ядра облаков разного энергетического уровня, называемых орбиталями, и при этом сами находятся везде и нигде одновременно. В том числе, возможно, и где-нибудь в соседней или даже отдаленной галактике. Или просто нигде. Так могут вести себя и сами атомы. По крайней мере, до момента измерения их параметров. И это вовсе не шутка и не бессмыслица.

Вот как описывает эту ситуацию известный популяризатор науки, американский физик, профессор Митио Каку:

Митио Каку, американский физик японского происхождения (в США приехал ещё его дед), профессор. Наиболее известен как активный популяризатор науки.

Возможность того, что электроны находятся одновременно во многих местах, является фундаментом всей химии.

Снимок атома водорода, сделанный с помощью квантового микроскопа. Напомню, что в атоме водорода лишь один электрон. И всю «облачность»  создает он один. Если быть более точным, то это интерференционная картина, создаваемая этим электроном на детекторе. Иными словами, это «фотография» волновой функции электрона в атоме.

Еще одно следствие принципа неопределенности: любое измерение возмущает измеряемую систему. Следует отметить, что это утверждение верно и для измерений в нашем привычном, классическом мире. Даже если продавец всего лишь взвешивает колбасу, то эта колбаса взаимодействует с весами, а значит, в ней что-то хотя бы чуть-чуть меняется (случаи, когда из-за «взаимодействия» продавца с весами существенно менялся вес колбасы, мы оставим в стороне). Но обычно такого рода возмущения настолько незначительны, что ими можно пренебречь. В квантовом мире всё не так. Там чем точнее измерение, тем больше изменяется измеряемая система. Такова, по словам доктора физико-математических наук, профессора Михаила Менского, плата за информацию. Более того, она, эта система, при измерении меняется настолько, что переходит в состояние, которого до измерения попросту не существовало. И это еще слабая формулировка. Полная и точная формулировка будет выглядеть так: «… в квантовой механике реальность творится в процессе измерения и осознания наблюдателем результата измерения» (М. Б. Менский, «Человек и квантовый мир».)

Менский Михаил Борисович (слева) —  доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Физического института им. Лебедева РАН

Еще в 1932 году знаменитый американский математик Джон фон Нейман предложил и строго математически обосновал так называемый постулат редукции. Суть этого постулата сводится к тому, что наблюдаемая квантовая система в момент измерения мгновенно, скачком меняет свое состояние и приобретает то конкретное значение, которое и фиксирует наблюдатель. До момента измерения система находится во всех вероятных состояниях одновременно! Как в случае с электроном, вращающимся вокруг ядра, который, на самом деле, может находиться везде и нигде. Если провести аналогию с состоянием какого-либо человека в таком мире, то он (допустим, некий мужчина) должен быть одновременно: эмбрионом, ребенком, многоженцем, старым холостяком, чемпионом мира по бегу на 400 метров с препятствиями, хромым от рождения, паралитиком, президентом, олигархом, нищим, прокурором, заключенным, юной девушкой, женщиной, стариком и старушкой, трупом, гермафродитом, корейцем, русским, коренным лондонцем и жителем Урюпинска, равно как и совсем не существовать… Одним словом, всем тем, на что хватит его фантазии плюс бесконечное множество тех состояний, которые ему и в голову не придут, так как фантазия наша всё-таки очень ограничена.

Такое состояние квантового объекта или системы в целом называется суперпозицией. Именно в этой суперпозиции и находится весь квантовый мир. При измерении из всех вероятностей проявляется лишь одна, все остальные исчезают, и физики называют это явление редукцией волнового пакета или коллапсом волновой функции.

Коллапс волновой функции (почти шутка)

Если вы, уважаемый читатель, думаете, что все физики – люди чокнутые и готовы смириться с вышеописанной картиной, то вы, конечно, ошибаетесь. С момента рождения квантовой механики и до сего дня с ее выводами идет ожесточенная борьба. В том числе и со стороны тех, кто эту картину создал собственным интеллектом и собственными руками. Альберт Эйнштейн до конца жизни не мог поверить в ее реальность и отмечал в письме не менее именитому датскому физику Нильсу Бору, что «уверен, Бог не играет в кости» (имеется в виду, что мир не может существовать по законам вероятности). Бор в ответ попросил Эйнштейна не указывать Богу, что Ему делать. Эйнштейн считал квантовую механику неполной, верил в существование и сам пытался найти более глубокую фундаментальную теорию, которая избавила бы квантовую механику от вероятностей и зависимости от того, измеряют ту или иную систему или нет. «Вы и вправду думаете, что Луна существует, лишь когда вы на неё смотрите?», — сокрушенно спрашивал он одного из своих коллег.И еще писал: «Чем больших успехов добивается квантовая теория, тем бестолковее она выглядит». (А. Пайс. Научная деятельность А. Эйнштейна)

В течение нескольких лет два гения, Эйнштейн и Бор, вели дискуссию по поводу интерпретации квантовой механики. Эйнштейн придумывал всё новые и новые мысленные эксперименты, которые должны были, по его мнению, опровергнуть столь непривычный взгляд на реальность. И всякий раз Бор, отстаивавший справедливость квантовой теории, оказывался прав. Самый знаменитый мысленный эксперимент, предложенный Эйнштейном и его коллегами, Борисом Подольским и Натаном Розеном, вошел в историю науки под названием «парадокс ЭПР» (по первым буквам фамилий его авторов). Он не только не поколебал квантовую теорию (авторы предполагали доказать ее неполноту), но, наоборот, укрепил уверенность научного мира в ее правоте и дал начало новым ее направлениям.

Два гения – Нильс Бор и Альберт Эйнштейн 1925 г.

Они же после некоторого творческого осмысления их жизни и трудов (московский парк искусств «Музеон»)

Нам нет необходимости рассматривать тут саму работу трех блестящих физиков, она довольно сложна. Но несколько слов о ее следствиях для современной физики хочу сказать. Существует такое понятие, как когерентное состояние. Допустим, два электрона колеблются в унисон. Такое состояние они способны сохранять вне зависимости от того, на какое расстояние друг от друга они впоследствии разойдутся. Согласно квантовой теории, если воздействовать на один из них (например, измерить его параметры), тут же изменятся (если быть более точным – проявятся, так как произойдет та самая «редукция состояния» или «коллапс волновой функции») параметры и второго электрона. Причем мгновенно, повторю: вне зависимости от расстояния. То есть информация от одного электрона может перейти к другому со скоростью значительно выше скорости света (возможно, с бесконечной скоростью). Это авторы парадокса ЭПР и считали абсурдом.

В наши дни это явление, существование которого экспериментально доказано (со всей определенностью в 1982 году французским физиком Аленом Аспе), физики называют квантовой запутанностью. Запутанность возникает в случае, если две частицы связаны каким-то предыдущим общим состоянием. Например, они образовались в результате распада какой-то другой частицы, или в своей предыдущей жизни их параметры суммарно были какой-то постоянной величиной: некий суммарный заряд или суммарный спин (спин – это момент собственного вращения частицы. В отличие от привычных нам макрообъектов, у частиц это «внутреннее» вращение. То есть они вращаются как бы внутри себя, а не по отношению к внешнему миру).

Так, например, мы можем создать условия, при которых будем точно знать, что два электрона суммарно имеют спин равный нулю. При этом спин одного из них будет направлен вверх, а другого – вниз (как вы понимаете, эти понятия весьма условны; можно также сказать, что проекция спина на определенную ось первого электрона +1/2, а второго -1/2). И если мы измерим спин одного из них, то тут же узнаем спин другого, как бы далеко он к тому моменту ни улетел.

В целом ничего особо удивительного тут могло бы и не быть. Опять-таки, если провести аналогию с классическим миром, это означало бы примерно следующее. Представьте, что у вас два мобильных телефона: один красный, другой синий, которые вы всегда носите вместе в одном кармане (мало ли, у кого какие причуды). Однажды, прилетев на какую-либо планету в другой галактике, вы лезете в привычный карман за своими телефонами, и на ощупь обнаруживаете, что один из них забыли дома (никогда, ну никогда вы не кладете свои телефоны в другие карманы). Но так как эти телефоны схожи по форме, вы сходу не можете определить, какой из них вы взяли, а какой оставили. Вам надо достать тот, что в кармане и посмотреть на него (если угодно, измерить его параметры). Вы достаете и видите, что взяли синий. Мгновенно несмотря на расстояние до вашего дома, вы понимаете, что там остался красный.

Все, казалось бы, очень просто: разве в такой ситуации удивительно, что вам удалось «измерить» оставшийся дома телефон, «получив от него информацию» со сверхсветовой (а скорее, бесконечной) скоростью. Но эта аналогия, увы, хромает. Напомню, что в квантовом мире оба электрона до измерения находились «ни в каком» состоянии и «ни с каким» спином. Вырвав своим измерением из этого «никакого» состояния один электрон, мы «вырываем» и второй, где бы он ни находился. Волновая функция обоих электронов «схлопывается» одномоментно. И это, согласитесь, уже несколько иная ситуация, чем в случае с телефонами. Эйнштейн никак не хотел смириться с этой картиной и иронически называл такое взаимодействие квантовых частиц «призрачным дальнодействием». И оказался неправ.

Отсюда два вывода. Во-первых, вполне можно допустить, что всё, происходящее с нами, точнее, с частицами и атомами нашего тела, может немедленно отразиться на каких-то частицах и атомах в любых, самых отдаленных уголках нашей Вселенной. Равно, как и наоборот: перемены где-то там могут привести к переменам в нас. Напомню, все частички и атомы нашего тела ведут свою родословную от начала мира или Большого взрыва, если вам так больше нравится. И не дано нам знать, что, с чем и как в те далёкие времена запуталось. Уф! Честно говоря, мне от этой мысли несколько не по себе.

А во-вторых, надеюсь, эта новость окажется более приятной, благодаря существованию эффектов квантовой запутанности в наши дни довольно бурно развиваются такие направления физики, как квантовая телепортация (передача состояния одного квантового объекта другому на расстоянии), квантовая криптография (передача данных, которые невозможно несанкционированно перехватить), создание квантовых компьютеров. Причем по всем этим направлениям есть обнадеживающие практические результаты.

Но главное, что следует из растянувшейся на десятилетия дискуссии по поводу парадокса ЭПР, это то, что человечество к сегодняшнему дню вынуждено признать: к микроуровню не приложимо такое понятие, как локальный реализм. Это на языке физиков. А в переводе на общедоступный язык это означает, что в самом своём фундаменте наш мир ирреален, он содержит в себе бесконечное пространство всех вероятностей, причем как некую нераздельную смесь, из которой наше сознание выхватывает по какому-то неясному для нас самих закону привычную нам картину бытия. И на риторический вопрос Эйнштейна, неужели Луна существует лишь потому, что вы на нее смотрите, есть-таки вполне определенный ответ: да. Потому что, если на луну будет смотреть кто-нибудь другой, на ее месте может оказаться нечто совсем иное или вовсе ничего. Не потому ли волки воют на луну, что видят в ней не то, что видим мы. Кто это может сказать, мы ведь никогда не были волками, правда? А если на луну совсем некому будет смотреть… Впрочем, об этом мы еще поговорим, когда будем обсуждать так называемый антропный принцип.

Что видит он в Луне далёкой?

Но при чем здесь луна? Луна часть нашего макромира, и от электрона до нее далековато будет. Но это не совсем так или, скорее, совсем не так. Михаил Менский (некоторые считают его одним из крупнейших специалистов в области проблем квантовых измерений, надеюсь, заслуженно) утверждает: «Классическое понимание реальности вообще никогда не является правильным, хотя в некоторых случаях при достаточно грубых измерениях… не приводит к заметным ошибкам, то есть является хорошим приближением». (М.Б. Менский. «Человек и квантовый мир».) Хотел бы напомнить, что на языке физиков слово «классический» означает примерно следующее: «…относящийся к нашему привычному макромиру, в котором квантовые, равно как и релятивистские, вытекающие из теории относительности, эффекты не учитываются».

Мы сами и всё нас окружающее, как хорошо понятно, состоим из тех самых частичек, которые по сути дела, являются точками возмущения (квантами) физических полей: электронных, электромагнитных, кварковых и т. д. Так считает современная физика. Наши тела в том виде, в котором мы их воспринимаем, существуют в среднем благодаря законам больших чисел, т. е. законам статистики. Большинство из триллионов, триллионов, триллионов, триллионов кирпичиков нашего тела находится, как тому и положено быть, в наиболее вероятном для себя состоянии. Большинство, но не все. Помните про «квантовую лохматость» волновых функций нашего тела, которую описывает Митио Каку? В каком-то смысле вещественный мир, безусловно, представляет собой новое качество по отношению к частичкам, из которых состоит. Но это новое качество не может не зависеть от качеств составляющих его частей. И зависит. Причем значительно в большей степени, чем это кажется нашему здравому смыслу.

Сам Эрвин Шрёдингер, чьё имя просто выбито на постаменте квантовой теории, так же, как Альберт Эйнштейн и еще многие и многие блестящие ученые, пытался опровергнуть ее несуразные выводы. Для этого он придумал свой мысленный эксперимент, который вошел в историю под названием парадокс кота Шрёдингера. Только сегодня описание этого парадокса служит не для опровержения квантово-механических странностей, а как прекрасная иллюстрация взаимосвязей микро и классического миров.

Эрвин Шрёдингер (1887–1961), австрийский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии, один из «отцов-основателей» квантовой механики.

Шрёдингер предложил представить себе закрытую коробку, в которую посажен кот. Рядом с котом в коробке атом радиоактивного изотопа, который в любой момент может распасться, а также некое устройство, соединенное с счетчиком продуктов распада и баллончик с ядом. Пока атом не распался, с котом всё в порядке. Если атом распадается, срабатывает счетчик, специальное устройство открывает баллончик, кот погибает. Мы не знаем, когда атом распадется. В каждый конкретный момент у нас есть только некоторая вероятность, распался атом или нет. Согласно квантовой теории, атом находится в суперпозиции: он одновременно уже распался, и еще нет. Но это означает, что в суперпозиции находится и кот. Он одновременно и жив, и мертв. До тех пор, пока мы не подойдем и не откроем крышку и увидим, жив кот или нет.

Я прочел, наверное, около полутора десятков описаний этого мысленного эксперимента у разных авторов. Радуясь за род человеческий, свидетельствую, я не встретил ни одного, кто бы заявил, что, открыв коробку, обнаружил мёртвого кота (что, кстати, явно противоречит теории вероятности, но всё равно присоединяюсь к этим людям). Итак, мы подошли, открыли коробку, и обнаружили живого (!) кота. То есть именно в тот момент, когда мы осознали результат нашего измерения, произошел коллапс волновой функции, мы с вами вывели кота из суперпозиции вместе со всей системой, и теперь смело можно попоить его молоком, вознаградив за участие в эксперименте.

Граффити на гараже в Перми. Надпись гласит: «В память коту Шрёдингера, на 50% пострадавшего от квантовой механики». Фото из газеты АиФ Пермь (автор Дмитрий Овчинников)

Любой нормальный человек в здравом уме и твёрдой памяти (но не закончивший университетского курса физики в последние 10–15 лет) должен на всё это отреагировать примерно так: «Хватит морочить мне голову! Просто мы не знаем, распался там атом или нет, жив кот, или умер, бедняга! А подойдем, заглянем и всё узнаем». Нет, увы, всё совсем не так просто. Здесь не случай с двумя мобильными телефонами, описанный выше, где мы просто не знали, какой из них забыли дома. Атом действительно находился в состоянии суперпозиции: он распался и не распался одновременно. А, следовательно, кот одновременно был жив и мёртв. Другое дело, что он сам всё это время ощущал (и был ли он первым полноценным наблюдателем, – это тоже вопрос). Но полагаю, что, если всё для него закончилось благополучно, он так ничего и не заметил. Но для внешнего наблюдателя этот кот оставался в состоянии суперпозиции, равно как и атом, до тех пор, пока исследователь не открыл крышку.

Наш, общечеловеческий, здравый смысл не соглашается принимать любую иную реальность, кроме той, к которой приучил нас наш жизненный опыт. А между тем, эта иная реальность существует и ее существование строго доказано математически и подтверждено экспериментально в ходе дискуссии вокруг парадокса ЭПР. Успешному эксперименту Алена Аспе, о котором говорилось чуть выше, предшествовала теория ирландского физика-теоретика Джона Белла, в которой он в 1964 году предложил определенные неравенства (известные сегодня физикам как неравенства Белла).

Джон Стюарт Белл (1928–1990), ирландский физик-теоретик во время получения почетного звания в Университете Квинс в Белфасте 1988 год. Сформулировал свои ныне известные под его именем неравенства именно для того, чтобы доказать, что в квантовой теории не учитываются какие-то скрытые параметры.

Если эти неравенства в описанном Беллом эксперименте соблюдаются, следовательно, в квантовой теории не учитываются некие скрытые параметры. Иными словами, это означало бы, что при квантовых измерениях, как и в классическом мире, мы до самого измерения просто чего-то не знаем, а измерив, узнаём. Например, мы не знаем, что в холодильнике у нас стоит вкуснейший торт (жена позаботилась, но ничего не сказала), и тут открываем дверцу, бац: торт. В этом случае скрытый параметр – жена. Она предварительно этот торт купила и поставила в холодильник, чтобы сделать вам приятный сюрприз (уж она-то знает, что вы сладкоежка).

Ален Аспе, французский физик, специалист по квантовой оптике. Экспериментально доказал, что неравенства Белла не соблюдаются и, следовательно, никаких скрытых параметров в квантовой механике нет.

Предложенный Беллом эксперимент был очень сложен технически. Поэтому почти два десятилетия в полном объеме его никто не мог осуществить. Ален Аспе был первым. Такого типа эксперименты физики во всё более сложной форме регулярно проводят и до сего дня (не столько уже для доказательства или опровержения чего бы то ни было, а для конкретных исследований). Неравенства Белла не выполнялись и не выполняются, что и предполагала квантовая теория. Жена торт не покупала. Но если бы мы измеряли состояние содержимого холодильника почаще, да еще пару десятков миллиардов лет подряд, то, кто знает, может, торт там рано или поздно нашелся бы. Но это в классическом мире пришлось бы ждать так долго. На квантовом уровне, когда речь идет не о триллионах взаимодействующих атомов, а о немногих атомах и субатомных частицах, такого рода «торты» появляются постоянно, вне зависимости от заботливости жены, а только от результата измерения. По словам Михаила Менского: «При квантовых измерениях (т.е. при любых измерениях, если только они являются достаточно точными, так что в их результатах сказываются квантовые эффекты) свойства, обнаруженные при измерении, могут вообще не существовать до измерения». (М.Б. Менский. «Человек и квантовый мир».)

Измерение же производит наблюдатель, т. е. мы с вами, наше сознание. И несмотря на то, что борьба за внесение здравого смысла в квантовую механику время от времени обостряется, без признания того, что само существование нашего мира зависит от нашего сознания, ничегошеньки не получается. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet