(из книги Парадокс. Девять великих загадок физики. Профессор Джим Аль-Халили)
Начало: Часть 1, Часть 2, Часть 3.
Проблема измерений
Хорошо, что у нас есть математические уравнения, описывающие поведение атомов, но любая сколько-нибудь уважаемая научная теория хороша лишь настолько, насколько хороши ее прогнозы относительно событий реального мира и результатов всех экспериментов, проводимых учеными для проверки этих прогнозов. Квантовая механика описывает, что происходит в мире атомов, когда мы не смотрим на него (это несколько абстрактное математическое описание), но все же она поразительно точно предсказывает, какие результаты мы получим, если решим измерить какие-либо показатели. Однако сам процесс перехода от описания реальности, в которой мы не наблюдаем за квантовым миром, к описанию реальности отображаемой нашими измерительными приборами, все еще представляет некоторую тайну. Она известна как проблема измерений и формулируются очень просто: каким образом атомы и подобные им объекты переходят от состояния крошечных частиц, занимающих определённое место, к состоянию, в котором они распространяются в пространстве множеств волновых версии самих себя и обратно к нормальному поведению крошечных частиц, когда мы решаем понаблюдать за ними?
При всей своей успешности квантовая механика ничего не говорит нам о том, как сделать это шаг от уравнений, описывающих, как электрон, скажем, движется внутри атома, к тому, что мы видим, когда проводим конкретное измерение свойств этого электрона. Поэтому отцы-основатели квантовой механики разработали свод специальных правил в дополнение к квантовой теории. Они стали известны как квантовые постулаты и содержать нечто вроде руководства по переводу математических прогнозов, заложенных в уравнениях квантовой механики, в реальные свойства, доступные наблюдению (например, местоположение электрона в любой заданный момент времени).
Что касается собственно процесса, когда электрон под нашим взглядом мгновенно переходит из состояния «и там и тут» в состояние «или там, или тут», никто на самом деле не знает, как это происходит. Большинство физиков удовлетворяются прагматическим подходом, предложенным самим Нильсом Бором: это просто происходит. Он назвал это явление необратимыми усилительными эффектами, и трудно проверить, но для большинства практикующих специалистов в области квантовой физики XX века этого было достаточно. Бор провел произвольную границу между квантовым миром, где допустимы странные вещи, и нашим куда более масштабным макромиром, где все происходит в рамках разумного. Измерительный прибор, направленный на электрон, неизбежно является частью нашего макромира. Но как, когда и почему происходит это изменение, объяснения не было. В этом заключается проблема Шрёдингера: где происходит линия разграничения между микромиром и макромиром? Предположительно, она должна находиться где-то в промежутке между атомами и котами, но, коли так, как мы отделим одно от другого, если сами коты представляют собой не более чем скопления атомов? Иными словами, любой измерительный прибор, будь то счётчик Гейгера, интерферометр, сложная машина с множеством рычагов и циферблатов или даже кот, в конечном итоге тоже состоящий из атомов. Так где же мы должны провести эту границу, отделяющую квантовое царство, подчиняющееся квантовым законам, от макромира измерительных приборов? А если подумать, что вообще делает измерительный прибор измерительным прибором?
В привычном для нас мире крупных объектов мы принимаем как должное идею о том, что объект действительно является тем, чем он нам кажется. Но чтобы мы смогли увидеть что-либо, свет от этого объекта доложен дойти до наших глаз. Однако само «подсвечивание» объекта, который мы желаем увидеть, потревожит его и внесет в него микроскопические изменения, вызванные столкновением с лучом света и его отражением. Когда мы смотрим на крупный объект (машину, стул, человека) или на живую клетку под микроскопом, столкновение частиц света (фотонов) с наблюдаемым объектом не произведет никакого заметного эффекта. Но когда мы имеем дело с квантовыми объектами, которые по масштабам сами сопоставимы с фотонами, ситуация меняется. В конце концов, каждое действие вызывает равноценное противодействие. Чтобы «увидеть» электрон, мы должны столкнуть его с фотоном. Но тем самым мы свиваем электрон с его первоначального пути.
Другими словами, чтобы узнать что-то о системе, мы должны ее измерить, но при этом мы зачастую неизбежно изменяем ее (следовательно, не видим ее истинную природу). Я описал эту идею в упрощенном виде, который не в полной мере отдает должное тонкостям квантовых измерении, но, надеюсь, вы смогли получить представление.
Давайте сделаем небольшую передышку и быстро повторим, что узнали. Мы выяснили, что квантовый мир коварен и нестабилен. Он не просто способен вытворять вещи, которые кажутся невозможными в нашем привычном мире, но имеют наглость не давать нам поймать себя с поличным. Открывая ящик Шрёдингера, мы в любом случае увидим живого либо мертвого кота, но никак не суперпозицию одного с другим. Итак, похоже, мы ничуть не приблизились к решению этого парадокса.
Продолжение: Часть 5.