(из книги Парадокс. Девять великих загадок физики. Профессор Джим Аль-Халили)
Кот в ящике и жив и мертв, пока мы не заглянули внутрь
К 1935 году один из основателей квантовой механики австрийский гений Эрвин Шёдингер был уже сыт по горло странными трактовкам связанных с ней математических вычислений. После длительных дискуссий с другими физиками, в том числе с Альбертом Эйнштейном, он предложил один из наиболее известных мысленных экспериментов в истории науки. Он написал длинную статью «Текущая ситуация в квантовой механике» и опубликовал ее в ведущем немецком научном журнале. С тех пор она стала известна как статья о коте Шрёдингера, и просто не вероятно, насколько много людей (в том числе специалисты в области квантовой физики) запутались в объяснениях, стремясь подчеркнуть или же разъяснить предполагаемый парадокс, описанный Шрёдингером. За прошедшие годы было предложено множество фантастических и экзотических решений задачи – от отправки сообщений назад во времени до изменения реальности силой сознания.
Шрёдингер задался вопросом, что случиться, если мы закроем кота вместе со счетчиком Гейгера и небольшим количеством радиоактивного вещества. Настолько маленьким, что с вероятностью 50% через час сможет распасться всего один его атом, испустив при этом субатомную альфа-частицу. Если это случиться, сработает счетчик Гейгера и его активация запустит механизм, разбивающий молотком крошечную ампулу с синильной кислотой, которая, попав в ящик тут же убьет кота. Надеюсь, конечно же, что нет нужды объяснять, что в реальности такой эксперимент никогда не проводился. Именно поэтому он называется мысленным экспериментом.
Момент распада радиоактивного атома относится к квантовым событиям, которые даже теоретически нельзя заранее предсказать. Согласно стандартной интерпретации квантовой механики, которой мы по большей части обязаны двум другим отцам-основателям – Нильсу Бору и Вернеру Гейзенбергу, причина непредсказуемости заключается не в том, что мы не располагаем информацией, необходимой для прогноза, а в том, что на квантовом уровне сама природа не знает, когда произойдет событие. Именно такие случайные события, как считают многие, спасают нас от ньютоновского детерминизма. Все, что мы можем сказать: имеется вероятность того, что спустя некоторое время атом распадается (это время зависит от периода полураспада химического элемента). В тот момент, когда мы закрываем крышку ящика, мы знаем, что еще ни один атом не распался. После этого мы не только не знаем, распался ли атом, мы буквально вынуждены описывать каждый атом радиоактивного материала в ящике, как если бы он находился сразу в двух состояниях: распавшимся и нераспавшимся, при этом вероятность первого состояния со временем повышается, а второго – падает. Я должен подчеркнуть, что речь идет не просто о нашем неведении из-за невозможности увидеть, что происходит в ящике. Такое положение вещей навязывают нам механизмы, действующие в квантовом мире: поведение атомов и других объектов микроскопического мира можно объяснить только тем, что они способны существовать в этом призрачном промежуточном состоянии. Если бы атомы не вели себя подобным образом, мы просто не смогли бы разобраться, что к чему в нашем мире.
В природе существует множество феноменов, которые можно объяснить только в том случае, если атомы действительно ведут себя подобным образом. К примеру, чтобы понять, почему светит Солнце, мы должны описать процессы термоядерного синтеза, происходящие в нем, через призму этих странных квантовых эффектов. Общеизвестные законы физики, применимые к обычному для нас макромиру, не способны объяснить, как ядра атомов сливаются друг с другом, высвобождая при этом солнечный свет и тепло, без которых мы нее смогли бы существовать на Земле. Если бы ядра атомов не подчинялись законам квантовой физики, они не смогли бы приблизиться один к другому настолько, чтобы соединится, поскольку их положительные электрические заряды создают силовые поля, отталкивающие их друг от друга. Только благодаря превращению в эти туманные, рассредоточенные квантовые сущности им внезапно удается оказаться в одном и том же месте по одну сторону этого силового барьера.
Шрёдингер, признавший эту странность квантового мира, утверждал, что, поскольку кот также состоит из атомов, каждый из которых начинает подчиняться законам квантовой механики, как только его судьба переплетается с судьбой радиоактивного атома (как это происходит внутри ящика), то его также следует описывать через призму тех же самых квантовых законов. Если атом не распался – кот жив, если распался – мертв. Следовательно, если атом находится одновременно в обоих состояниях, то кот также должен находиться сразу в двух состояниях: «живой» и «мертвый». Это значит, что он не будет по-настоящему ни жив, ни мертв, находясь в размытом, нефизическом, промежуточном состоянии и обретая определенность только в тот момент, когда мы открываем ящик. Именно об этом говорит нам стандартная интерпретация квантовой механики, и это выглядит бессмыслицей. Конце концов, мы так и не увидим кота в этом мертво-живом состоянии, однако квантовая физика сообщает нам, что именно так мы должны описывать кота до того, как взглянем на него.
Как бы бессмысленно все это не выглядело, не сомневайтесь, эта фантастическая идея представляет собой не просто безумное умозаключение теоретических физиков, слишком много времени пробывших наедине со своим уравнением. Это серьезный прогноз, полученный на основании одной из наиболее мощных и надежных научных теорий.
Надеюсь, вы, конечно же, станете утверждать, что кот должен быть либо живым, либо мёртвым и то, что мы откроем ящик, никак не может повлиять на исход. Ведь все дело только в том, что нам ничего не известно о том, что же случилось (или еще не случилось), не так ли? Что ж, именно этот момент Шрёдингер и хотел подчеркнуть. Несмотря на то, что он сам внес большой вклад в новую теорию (самое главное уравнение квантовой физики носит его имя), Шрёдингер был недоволен некоторыми из ее аспектов и в 1920-е годы даже имел несколько интеллектуальных стычек с Бором и Гейзенбергом по этому поводу.
Как тщательно ни объясняй квантовую механику нефизикам, она все равно будет казаться непонятной и даже в чем-то надуманной. Но факт остается фактом: законы и уравнения, описывающие поведение объектов квантового мира, четко определены и недвусмыслены как с логической, так и с математической точки зрения. Хотя специалисты в квантовой физике сами зачастую чувствуют себя неуютно, осознавая, как абстрактные символы их уравнений соотносятся с реальным миром (оказалось, что мощная математическая база квантовой механики слишком точно и успешно описывает наблюдаемые явления, чтобы у нас остались какие-то сомнения в том, что она отражает основополагающие истины о нашем мире). Так сможем ли мы разрешить парадокс кота Шрёдингера, держа в голове квантовую механику со всеми её странностями? Посмотрим, удастся ли нам разгадать и эту загадку тоже. В конце концов, не могли же мы зайти так далеко, победив могучих демонов на своем пути, чтобы в итоге спасовать перед котиком.
Продолжение: Часть 2.