(из книги Парадокс. Девять великих загадок физики. Профессор Джим Аль-Халили)
Начало: Часть 1, Часть 2, Часть 3, Часть 4, Часть 5.
Потеря квантовых свойств
Если кот не может находиться в суперпозиции разных состояний, то предположительно линия, отделяющая квантовый микромир от нашего макромира, находится ближе к квантовому концу шкалы. Давайте еще раз разберемся, что мы имеем в виду под словом «измерение».
Рассмотрим, что происходит с атомом урана, который находится внутри пласта породы, скрытого глубоко в недрах земли. Крайне редко такие атомы могут спонтанно распадаться, разделяясь на два фрагмента, разлетающиеся с высвобождением большего количества энергии. Именно такая энергия используется в ядерных реакторах, дающих нам тепло и электричество. Эти фрагменты ядра атома урана (каждый размером примерно с его половину) появляются рядом, но затем разлетаются в произвольных направлениях. Квантовая механика гласит: до того, как произвести измерение, мы должны считать, что оба фрагмента разлетались во всех направлениях сразу. Это намного проще представить, если думать о них не как о частицах, но как о волнах (аналогично кругам на воде, расходящимся от камешка, брошенного в пруд). Но мы знаем, что эти осколки оставляют крошечные следы на камне и в некоторых породах их можно различить под микроскопом. На исследование этих следов (длиной всего в тысячную долю миллиметра каждый) основан метод радиоизотопного датирования пластов породы.
Итак, суть заключается вот в чем: поскольку эти следы появились в квантовом мире, то пока мы не измерим их, нам придется описывать их одновременно как существующие, если ядро урана распалось, и как несуществующие, если этого не произошло. Кроме того, в случае, если ядро все же распалось, мы должны описывать их, как если бы они пролегли во всех направлениях сразу. Но что же тогда представляет собой измерение? Находится ли камень в состоянии неопределённости одновременно с вытравленными и не вытравленными в нем следами частиц, пока мы не рассмотрим его под микроскопом? Разумеется, нет. Следы либо есть, либо нет независимо от того, будем ли мы анализировать породу сейчас, через 100 лет или же никогда.
В квантовом мире измерения должны производиться все время и иметь постоянных наблюдателей независимо от наличия в их гардеробе лабораторных халатов. Правильно будет определить измерение как процесс, происходящий, когда было зафиксировано «явление» (или «феномен») (в том смысле, что оно оставило какой-то след, который мы при желании сможем обнаружить позднее).
Это может показаться настолько очевидным, что можно простить вам удивление, вызванное тем фактом, что специалисты в области квантовой физики оказались настолько глупыми, чтобы вообще рассматривать какие-то иные варианты. Но повторюсь: некоторые предсказания квантовой механики можно назвать как угодно, но только не рациональными. Что нам требуется, так это более четкое представление, как фиксируются события в квантовом мире, ведь именно в этот момент происходит потеря «квантовой странности» (движения в двух направлениях одновременно или одновременного действия и его отсутствия).
В 1980-е и 1990-е годы физики, похоже, начали понимать, что творится в квантовом мире. Они рассмотрели, что происходит, когда изолированная квантовая система, например, отдельный атом, выходит из блаженного состояния суперпозиции и объединяется с макроскопическим измерительным прибором, которым может считаться даже окружающая среда, например, камень. Квантовая механика требует, чтобы множество триллионов атомов, составляющих измерительный прибор/камень, так же существовали в состоянии суперпозиции. Однако эти хрупкие квантовые эффекты слишком сложны, чтобы такие крупные макроскопические устройства смогли их поддерживать, и они улетучиваются подобно теплу, покидающему горячее тело. Этот процесс известен как декогеренция, и в наше время он стал предметом множества исследований и споров. Декогеренцию можно представить так: хрупкая квантовая суперпозиция безвозвратно теряется среди колоссального числа других возможных суперпозиций, возникающих из-за различных потенциальных комбинаций взаимодействий между всеми атомами в макроскопической системе. Возврат к изначальной суперпозиции будет чем-то вроде попытки перемешать колоду карт, вернув ее тем самым к упорядоченному состоянию, только немного сложнее.
Многие физики сегодня считают декогенерцию реальным физическим процессом, который постоянно идет по всюду во Вселенной. Декогеренция происходит каждый раз, когда квантовая система перестает быть изолированной от окружающей среды (представленной чем угодно – от счётчиков Гейгера до куска породы или даже молекул воздуха вокруг; без сознательного наблюдателя определенно можно обойтись). Если связь с окружающей средой достаточно прочная, изначальная хрупкая позиция быстро теряется. Деконвергенция представляет собой один из самых быстрых и эффективных процессов в физике вообще. Именно эта удивительная эффективность является причиной того, что ученые так долго не могли ее открыть. Только сейчас физики начинают разбираться, как исследовать и контролировать данный процесс.
Хотя ученые еще не до конца понимают декогеренцию, по крайней мере она позволяет нам разобраться в нашем парадоксе. Причина, по которой мы не увидим кота Шрёдингера одновременно живым и мертвым, заключается в том, что задолго до того, как мы откроем ящик, в счетчике Гейгера произошла декогеренция. Благодаря своей способности регистрировать, распался ли атом, счетчик Гейгера «вынуждает» его определиться со своим состоянием. Итак, в течение определённого периода времени атом либо распадется, либо нет и счетчик Гейгера, либо зарегистрирует это явление, вызвав тем самым цепочку событий, приводящую к смерти кота, либо нет. Как только мы покидаем квантовый мир суперпозиции, пути назад нет и мы остаемся наедине с простой статистической вероятностью.
Двое ученных из Кембриджа – Роджер Карпентер и Эндрю Андерсон – провели изящный эксперимент и описали его результаты в статье, опубликованной в 2006 году. Эксперимент подтвердил, что коллапс суперпозиции и потеря странных квантовых свойств действительно происходят на уровне счетчика Гейгера. Опыт не привлек особого внимания, возможно, потому что большинство специалистов в области квантовой физики считают, что никакой загадки здесь больше нет.
Итак, похоже, что декогеренция объясняет не только то, почему мы не увидим кота Шрёдингера одновременно живым и мертвым, но в первую очередь почему сам кот не будет существовать в этом промежуточном состоянии. Разумеется этот эффект не объясняет того, как происходит выбор. Квантовая механика сохраняет свою вероятностную природу, и эта непредсказуемость результата отдельного измерения все время остается.
На самом деле даже эта потребность в объяснении того, как происходит выбор одного их двух возможных вариантов, теряется, если мы придерживаемся теории мультивселенной. В этом случае кот будет жить в одной вселенной и умрет в другой. Все, что вы делаете, открывая ящик, — это выясняете, в какой из вселенных живете (вселенной живого или мёртвого кота). В какой бы из них вы не оказались, в другой вселенной всегда будет существовать иная версия вас, которая открыв ящик, обнаружит противоположный результат. Вот так все просто.