(из книги Парадокс. Девять великих загадок физики. Профессор Джим Аль-Халили)
Квантовая суперпозиция
Впрочем, в этой истории не хватает одного важного логического звена. Понимаю, что предложил вам поразмышлять о котах, состоящих из триллионов атомов, живых и мертвых одновременно, ожидая, что вы поверите в то, что отдельные атомы могут одновременно находиться в двух состояниях просто потому, что квантовый мир «странный». Поэтому, вероятно, будет хорошей идеей объяснить вам, почему физики так уверены в том, что атомы действительно ведут себя подобным образом.
Свойства квантовых объектов, позволяющее им делать сразу несколько дел и быть в двух местах одновременно, называется квантовой суперпозицией, и оно не настолько необычно, как вы думаете. Суперпозиция вовсе не ограничивается квантовой механикой, это общее свойство всех волн. Лучше всего это можно увидеть на примере волн на воде. Представьте, что вы наблюдаете за олимпийским прыгуном в воду. В момент его погружения вы видите, как в этом месте начинают расходиться круги, доходящие до бортиков бассейна. Совсем по-другому выглядит вода в бассейне полном людей. Вследствие сочетанного воздействия множества раздражителей поверхность воды теперь движется турбулентно. Этот процесс сложения волн друг с другом называется суперпозицией.
Наложение множества волн друг на друга разобрать довольно сложно, проще рассмотреть суперпозицию всего двух волн. Представьте, что вы одновременно бросаете в пруд два камешка: один левой рукой, другой – правой. В месте падения камешка в воду появятся круги, которые начнут распространяться и наслаиваться на такие же круги, вызванные другим камешком. Если сделать мгновенный снимок этой суперпозиции, можно увидеть сложный паттерн, включающий в отдельных местах два противоположных явления: там будут области, где объединенные гребни волн образуют бóльшую волну (это называется конструктивной интерференцией), и области, где гребень одной волны полностью гасит подошву другой волны, временно делая этот участок водной поверхности гладким, как если бы по нему не проходило никаких волн (это называется деструктивной интерференцией). Запомните эту мысль: два возмущения в суперпозиции могут полностью нивелировать друг друга.
Теперь давайте рассмотрим, как аналогичный процесс проходит в квантовом мире. Устройства, известные как интерферометры (с одним из них мы уже встречались, когда говорили о движении света сквозь пространство), позволяет сложить две волны, показывая, в каких местах они накладываются конструктивно, а в каких деструктивно. Интерферометр, воспроизводящий некоторый сигнал, доступный нашему наблюдению, в момент, когда в него попадает единичная волна, можно настроить таким образом, что, когда в него войдет вторая волна, произойдет ее деструктивная интерференция с первой волной – и сигнал исчезнет. Это будет надежным свидетельством того, что внутри интерферометра проявились волноподобные свойства.
Перейдем к действительно интересной части. Некоторые разновидности интерферометров могут определять субатомные частицы, например электроны. Эти частицы можно запустить в устройство, разделяющее их вероятную траекторию на две части, — и они пролетят двумя возможными путями, снова объединившись в конце. Если настроить данное устройство таким образом, чтобы оно воспринимало свет, совершенно ясно, каков будет результат: луч света разделиться на две части с помощью, так называемого, полупосеребренного зеркала (полупрозрачного куска стекла, пропускающего половину света, который пройдет одним путем, и отражающего вторую часть по другой траектории). В результате мы получим из одного первоначального луча света два. Эти два луча (или две световые волны) проходят через устройство по двум отдельным траекториям, а затем вновь объединяются, интерферируя друг с другом определенным образом, который зависит от точной длины пути каждого из них. Если оба пути в точности одинаковы по длине, лучи света совпадут друг с другом (тогда мы говорим, что они соединяются в фазе), но если они прибудут не в фазе, в некоторых местах мы увидим деструктивную интерференцию (как если бы там не было света совсем). Важно помнить, что мы получим такой результат только в тех местах, где две волны соединяются.
А теперь действительно шокирующее свойство квантового мира. Если пропустить электрон через аналогичное устройство таким образом, что ему придется выбирать между двумя путями (возможно, его как-то оттолкнут от одного из направлений с помощью магнита или провода под напряжением), то вместо того, чтобы поступить, как подсказывает здравый смысл (то есть пройти либо одним путем, либо вторым), он проведет себя в точности, как волна света (раздвоится и пройдет обоими путями сразу). Откуда мы узнаем, что это происходит? Дело в том, что результат, который мы получим на выходе, будет в точности таким, как если бы электрон вел себя как две волны, проходящие сквозь устройство независимо друг от друга.
С самого рождения квантовой механики физики пытаются разобраться, как такие частицы, как электроны, способны делать это. Похоже, им действительно под силу следовать одновременно обоими путями. Не делай они этого, мы бы не увидели признаков их волнподобного поведения, конструктивной и деструктивной интерференцией. Оказывается, что согласно предсказаниям квантовой теории, именно это и должно происходить: когда мы не смотрим на квантовый объект, мы должны описывать его как волну. Но как только мы начинаем наблюдать за ним (например, устанавливая какой-либо детектор на одном из путей в интерферометре), то мы либо наблюдаем электрон, летящий этим путем, либо не наблюдаем (подразумевается, что он выбрал другой путь). Итак, пока мы следим за электроном во время его движения, то видим только то, что он следует одним из двух путей. Однако, отслеживая его перемещения, мы неминуемо вмешиваемся в его квантовое поведение – и волноподобное свойство интерференции полностью исчезает (это неудивительно, поскольку теперь электрон уже не проходит двумя путями одновременно).
Мораль такова: в квантовом мире объекты ведут себя по-разному в зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет. Пока мы не смотрим, они могу находиться в состоянии суперпозиции, делая два и более дела одновременно, но как только мы обращаем на них взгляд, это каким-то образом вынуждает их немедленно сделать выбор и вести себя разумно. Радиоактивный атом в ящике с котом находится в суперпозиции двух квантовых состояний: одновременно: распавшийся и нераспавшийся. Причине не в нашем неведении, вынуждающем допустить возможность того, что он может быть в любом из двух состояний, а в том, что атом на самом деле пребывает в призрачном состоянии, сочетающем оба варианта.
Продолжение: Часть 4.