Кошка Шредингера или как может существовать стабильный мир на нестабильном основании

Что дает квантовая теория для познания

Классическая физика в согласии со здравым смыслом рассматривает объективный мир существующим вне наблюдателя. Это верно не только для механики Ньютона, но и для подходов в электродинамике и теории относительности. Процессы происходят независимо от нас, да и сами мы телесно являемся частью этого мира и, следовательно, подчиняемся его законам. Квантовое описание является точным, хотя и радикально отличающимся от классического. Кроме того, вероятностный характер описания не возникает на микроуровне, т.к. движение атомов, молекул происходит детерминировано, а появляется, в результате некоторого загадочного крупномасштабного действия по переводу проявлений микромира на язык, доступный нашим ощущениям. Само существование твердых тел, упругость и другие свойства материалов, химические свойства, цвет вещества, устойчивость наследственности – эти и многие другие знакомые нам явления невозможно объяснить без привлечения квантовой теории.

Возможно, что и феномен сознания есть нечто, что невозможно объяснить без привлечения квантовых представлений. Для того чтобы основательно углубиться в философские вопросы и понять, как ведет себя наш мир и каково строение «разума», т.е. «нас самих», следует ближе познакомиться с возможностями квантовой теории. И здесь существуют разные точки зрения. Последователи Нильса Бора утверждают, что объективной картины реального мира не существует. Самого по себе ничего нет, а реальность возникает только в связи с результатами измерений. Квантовая механика нужна только как вычислительная процедура. Позитивистский взгляд иной: объективная физическая реальность может быть описана квантовым состоянием. Существует точное уравнение Шредингера, которое описывает полностью причинно обусловленную эволюцию этого состояния. Сам измерительный прибор, в конечном счете, тоже состоит из квантовых составляющих и поэтому должен эволюционировать в соответствии с уравнением Шредингера. Можно предположить, что и сами наблюдатели построены из крохотных квантовых частиц. Является ли сознание необходимой частью процесса измерения? Лишь немногие отвечают на этот вопрос положительно.

Атомы могли излучать свет только определенного набора частот, в виде четких спектральных линий. Но система полей и частиц в классической теории должна быть нестабильной: энергия «перетекает» от частиц к полям, которые имеют бесконечно большое число степеней свободы. Так что, как показали в свое время Релей и Джинс (1900 г.), вся энергия частиц должна быть до конца «высосана» полем. Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы», при которой энергия безостановочно перетекает во все более высокочастотные колебания поля, в то время как в действительности природа не ведет себя так расточительно.

 

 

Интенсивность

 

              Релей-Джинс

 

Планк и

              наблюдения

    Частота

 

Рис. 11.1. Расхождение между интенсивностью излучения абсолютно черного тела в классической теории (Релей-Джинс) и наблюдаемой интенсивностью привели Планка к кванту действия

В отличие от предсказаний Релея и Джинса, максимальное значение энергии при данной температуре приходится на определенную длину волны и поэтому цвет нагретого тела зависит от его температуры.

Эксперимент с двумя щелями

Рассмотрим «архетипичный» квантово-механический эксперимент, при котором пучок электронов, света или других «волн-частиц» направляется сквозь две узкие щели на расположенный позади них экран. Когда открыта не одна, а две щели, наблюдается волнообразное распределение интенсивности. Картина освещенности при двух щелях сильно отлична от той, которая наблюдается при одной щели. В тех точках, где освещенность максимальна, она превосходит освещенность при одной щели не в два, а в четыре раза. В точках минимума она падает до нуля (при двух щелях). Как могло случиться, что предоставив фотону альтернативный маршрут, мы в действительности воспрепятствовали его прохождению по любому из маршрутов?

Если принять в качестве «размера» фотона длину его волны, то в масштабах фотона вторая щель находится от первой на расстоянии около 300 размеров фотона. А ширина каждой щели составляет около двух размеров фотона. Каким образом фотон, проходя через одну из двух щелей, узнает о том, открыта или закрыта другая щель? В некотором смысле каждая частица проходит сразу через обе щели и интерферирует сама с собой (при малой интенсивности света).

Бор, по-видимому, считал, что состояние системы микрочастиц между измерениями не обладает настоящей физической реальностью, а действует лишь как свод знаний некого субъекта о рассматриваемой системе. Тогда волновая функция превращается во что-то субъективное или целиком существует в уме физика. Поэтому Бору пришлось рассматривать мир на классическом уровне как действительно обладающий объективной реальностью. Но в состояниях на квантовом уровне, которые, казалось бы, лежат в основе всего, никакой реальности он не усматривал.

Такая картина была неприемлема для Эйнштейна, который был глубоко убежден в том, что объективный физический мир должен действительно существовать, даже на микроскопических масштабах квантовых явлений. В своих многочисленных дискуссиях с Бором Эйнштейн пытался доказать, но неудачно, что квантовой картине присущи внутренние противоречия, и что за квантовой теорией должна стоять какая-то более глубокая структура. Возможно, вероятностное поведение квантовых систем служит проявлением статистических эффектов более малых компонентов системы, о которых мы не располагаем непосредственным знанием. Последователи Эйнштейна, в особенности Давид Бом, развили высказанную им идею о скрытых переменных, согласно которой параметры, точно определяющие систему, не доступны нам непосредственно, и квантовые вероятности возникают из-за того, что значения этих параметров неизвестны до измерения. Согласуется ли теория скрытых переменных со всеми наблюдаемыми фактами квантовой физики? Похоже, что ответ на этот вопрос должен быть утвердительным, но только если эта теория по существу нелокальна в том смысле, что скрытые параметры должны иметь возможность мгновенно влиять на элементы системы в сколь угодно далеких областях. Такая ситуация не понравилась бы Эйнштейну, особенно в связи с возникающими трудностями в специальной теории относительности.

Кошка Шредингера

Любая часть измерительного устройства сама является частью физического мира и состоит из тех же самых кантовомеханических компонент, поведение которых должен исследовать измерительный прибор. В известном смысле измерение составная система производит над собой. Противоречие в сказанном особенно ярко проявляется в мысленном эксперименте, предложенном Эрвином Шредингером.

Представьте себе герметичный контейнер, через который ни внутрь, ни наружу не проходит ни одно внешнее воздействие. Предположим, что внутри контейнера находится кошка, а также устройство, приводимое в действие (запускаемое) некоторым квантовым событием. Если это событие происходит, то устройство разбивает ампулу с синильной кислотой, и кошка гибнет. Если событие не происходит, кошка продолжает жить. В первоначальной версии Шредингера квантовым событием, запускающим устройство, был распад радиоактивного атома. Выберем вслед за Пенроузом в качестве квантового события, запускающего устройство, фотон, который, попадая в фотоэлемент, приводит его в действие. Этот фотон отражается от полупосеребренного зеркала. Отражение от зеркала расщепляет волновую функцию фотона на две части, одна из которых отражается, а вторая проходит сквозь зеркало. Для внешнего наблюдателя кошка действительно есть не что иное как линейная комбинация живой и дохлой кошек, и только когда контейнер будет наконец вскрыт, вектор состояния кошки коллапсирует в вектор одного из этих двух состояний. С другой стороны для внутреннего наблюдателя (защищенного надлежащим образом от действия синильной кислоты) вектор состояния кошки коллапсировал бы гораздо раньше и линейная комбинация внешнего наблюдателя не имела бы смысла.