Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего
Шрифт:
Прежде чем открывать квантово-механический ящик Пандоры, нам нужно обсудить еще кое-что: надо уделить минутку тому, как при помощи кет-скобок рассказывать истории.
Предположим, у вас есть электрон в закрытой коробке. И пусть рядом с электроном в этой коробке находится особый датчик, который щелкнет, если электрон вертится по часовой стрелке, и не издаст звука, если электрон вертится против часовой стрелки.
Если этот датчик вращения щелкнет, он пошлет сигнал пистолету (который тоже находится в коробке), пистолет выстрелит и убьет кота (который тоже сидит в коробке).
Зарисуем этот сценарий при помощи кет-скобок. Если наш электрон вращается по часовой стрелке, вот как все будет выглядеть, пока датчик еще не включен:
Теперь
Датчик посылает сигнал пистолету, тот через долю секунды стреляет, и в этот момент наша коробка выглядит вот так:
Пуля свистит в воздухе и миг спустя настигает кота, который, увы, становится жертвой нашего эксперимента:
По сравнению с этим случай, когда электрон вращается в другом направлении, очень прост. Поскольку электрон вращается против часовой стрелки, он не запустит датчик – и ничего не произойдет:
Оба этих сюжета – тот, где кот остается в живых, и тот, где он погибает, – пока что выглядят совершенно логично.
Но что будет, если наш электрон вертится не в том или ином направлении, а сразу в обоих?
Ответ звучит так: зомбокот.
Квантовые зомбокоты
Расскажем следующую историю. На сей раз электрон находится в состоянии, когда он вращается сразу и по часовой стрелке, и против.
Вот как это будет выглядеть, если нарисовать все с помощью кет-скобок:
А теперь вопрос на миллион долларов: что будет, когда мы включим датчик вращения электрона? Щелкнет он или нет?
Согласно квантовой механике, и то и другое. Отчасти он зарегистрирует вращение по часовой стрелке, отчасти – против. Словно бы наш электрон сделал из одного датчика два.
И снова рисунок с кет-скобками:
Обратите внимание, что в серых скобках у нас две разные мини-истории: в одной электрон вращается по часовой стрелке и датчик щелкает, а в другой электрон вращается против часовой стрелки и датчик никак не реагирует.
Теперь подождем, пока сигнал от датчика дойдет до пистолета. Выстрелит ли пистолет, или пуля останется в магазине?
Ответ такой же, как и для датчика: и то и другое. Пистолет расщепляется на две копии – одна выстрелит,
И это подводит нас к вопросу о коте.
Должно быть, вы уже догадались, какая участь его ждет. Кот, как и датчик вращения с пистолетом, расщепится на две версии: одна погибнет от пули, а вторая останется в живых и продолжит вершить великие кошачьи дела.
Вот итоговое состояние всего в нашей коробке:
Заметьте: теперь мы можем рассказать о содержимом коробки две совершенно независимые истории. В одной электрон вращался по часовой стрелке, пистолет выстрелил и кот погиб, в другой вращение было против часовой стрелки, пистолет не выстрелил и кот остался в живых.
И то и другое правда. Ни та ни другая версия не правдивее другой. Они сосуществуют внутри коробки.
Электрон вращается по часовой стрелке или против? И то и другое.
Щелкал датчик или нет? И то и другое.
Жив кот или мертв? И то и другое. (Хештег «зомбокот».)
Вниз по кроличьей норе
Ясное дело, к моему рассказу вы отнеслись скептически. Вы же никогда не видели кота, который наполовину мертв, наполовину жив.
Возможно, вам даже хочется сказать: «Очевидно, что квантовая механика не работает, ведь я никогда не видел зомбокотов, все это полная ерунда».
Но вот в чем беда: квантовая механика дает нам лучшие предсказания, так что с ней не может сравниться никакая другая физическая теория устройства вселенной за всю историю человечества – то есть буквально никакая. Поэтому нельзя нам выплескивать ребенка вместе с водой.
Нам волей-неволей придется как-то объяснить, почему квантовая механика учит, что зомбокоты бывают, хотя никто их ни разу не видел.
В двадцатые годы ХХ века датский физик-сескипедалофил[2] Нильс Бор предпринял первую полноценную попытку объяснить, как такое может быть.
«Сам я зомбокотов никогда не видел, – подумал Нильс Бор, вероятно, по-датски. – Если зомбокот существует ровно до того момента, как я на него взгляну, значит, либо во мне, либо в оборудовании, которое я использую для наблюдения, есть что-то особенное, что вынуждает кота избрать какое-то одно состояние (либо жив, либо мертв), когда я на него смотрю. Похоже, акт наблюдения заставляет зомбокота „коллапсировать“ – кот вынужден выйти из гибридного состояния, когда он одновременно и жив и мертв, и стать либо только живым, либо только мертвым, но не то и другое вместе. Коллапс – вот ответ, скажу я вам!»
Вот что предложил Бор:
У идеи Бора о коллапсе был один недостаток: он так четко и не объяснил, что именно считается «наблюдением» и кого или что можно считать «наблюдателем». Он намекал, что «большие» объекты вроде микроскопов и камер, скорее всего, отвечают за коллапс систем поменьше, но детали как-то замылил.
Наверняка Бор знал только одно: коллапс должен происходить достаточно рано, чтобы «крупные» предметы вроде футбольных мячей не существовали в нескольких местах одновременно и не вращались в нескольких направлениях сразу, поскольку такого мы в окружающем мире не встречаем.