Читать книгу "Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур"

Утверждения Эйнштейна и Теслы подчеркивают важный момент в философии физики: физика, возможно, хорошо умеет объяснять при помощи формул и наблюдений, как работают те или иные вещи, но она совершенно не обязательно говорит, почему эти вещи работают именно так. И Тесла, и Эйнштейн признавали, что существуют глубокие вопросы, поднятые их исследованиями, к пониманию которых им не удалось даже приблизиться.

Эйнштейн и сам любил животных, в какой-то момент у него был кот по имени Тигр, который всегда грустил, когда шел дождь. Эйнштейн, как говорят, сказал как-то коту: «Я знаю, что это неправильно, дорогой мой, но я не знаю, как это выключить». В 1924 г. Эйнштейн написал в письме друзьям, вероятно все про того же кота: «Я испытываю желание послать вам, в кои-то веки, привет из своего приюта отшельника. Здесь так хорошо, что я готов едва ли не позавидовать сам себе в этом. Я один занимаю целый этаж. Никого, кроме меня, здесь нет, только иногда еще громадный кот, который также определяет в основном запах в моей комнате, поскольку я не в состоянии успешно с ним конкурировать в этом отношении».

Эйнштейна, однако, куда сильнее занимал другой кот, которого никогда не существовало в действительности, но которого тем не менее можно назвать самым знаменитым котом в истории физики: это кот Шрёдингера. Этого странного зверя представил ученой публике австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961), чтобы подчеркнуть абсурдные, на первый взгляд, следствия из теоретической квантовой физики — теории, в разработке которой сам Шрёдингер сыграл не последнюю роль.

Если бы мы захотели сформулировать всю квантовую физику в нескольких словах, то сказали бы, что она заявляет, что все существующее вокруг имеет одновременно природу волны и частицы: это, как мы видели ранее, называется корпускулярно-волновым дуализмом. В 1905 г. Эйнштейн успешно доказал, что свет, который с начала XIX в. считали волной, ведет себя так же, как поток частиц. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль, вдохновленный наблюдениями Эйнштейна, предположил, что обратное верно для любого вещества: все атомы и все элементарные частицы, такие как электроны, обладают волновыми свойствами. Всего через несколько лет эта гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально, что стало подлинным началом эры квантовой физики. В 1926 г. Эрвин Шрёдингер составил математическую формулу — уравнение Шрёдингера, — которая описывала, как волновые свойства вещества изменяются во времени и пространстве. Эйнштейн принял его статью к публикации.

Существовала, однако, очень серьезная проблема. Все соглашались, что вещество ведет себя как волна, но никто не мог объяснить в точности, что именно при этом колеблется. Когда мы говорим о волнах на воде, то понимаем, что речь идет о самой воде, движущейся вверх и вниз; когда говорим о звуковых волнах, мы знаем, что это колеблются молекулы воздуха, перенося звук от источника к приемнику. Для света, как установил Джеймс Клерк Максвелл, «колеблются» электрические и магнитные поля. Но никто не мог сказать точно, что означают волны вещества. Как Тесла и Эйнштейн сказали об электричестве и фотонах, соответственно, одно дело — описать явление и совсем другое — интерпретировать его.

Этот вопрос стал настоящим «пунктиком» для датского физика Нильса Бора и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг работал под руководством Бора в одном из институтов Копенгагена. Вместе они собрали все имевшиеся на тот момент сведения по квантовой физике в непротиворечивую систему, известную нам сегодня как Копенгагенская интерпретация квантовой механики. Если коротко: вещественная волна электронов и других частиц не является физической волной, а связана с вероятностью того, что некая частица окажется в какой-то определенной точке пространства в определенное время. Высокая волна соответствует высокой вероятности того, что частица окажется в нужном месте, тогда как низкая волна соответствует низкой вероятности.

Однако, когда мы измеряем пространственное положение квантовой частицы, то никогда не видим всю волну целиком: мы видим частицу, расположенную в какой-то определенной точке пространства. Ключевой компонент Копенгагенской интерпретации — идея о коллапсе или редукции волновой функции: когда кто-то пытается измерить положение частицы, ее волна «схлопывается», или «коллапсирует», в конкретную точку, которая и представляет местонахождение частицы. Вследствие этого любое измерение квантовой частицы кардинально меняет ее поведение. Более того, Копенгагенская интерпретация предполагает, что до измерения квантовая частица не находится определенно ни в одной точке, и, только когда эту частицу измеряют, она «решает» каким-то загадочным образом, где конкретно она в этот момент хочет находиться.

Если вам эта интерпретация кажется странной, вы не одиноки. Вы оказываетесь в компании с самим Шрёдингером, который считал, что Копенгагенская интерпретация может привести к абсурдным результатам. Он заметил, что можно сделать так, чтобы существование живого существа, скажем кошки, зависело от поведения одной-единственной квантовой частицы, такой как атом. «Можно привести совсем уж нелепые случаи», — написал он в 1935 г. и привел пример.

Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Волновая функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Эта схема, в слегка модифицированном виде, изображена на рисунке.

Шрёдингер сказал, по существу, что квантовый мир Копенгагенской интерпретации кардинально отличается от того мира, с которым мы сталкиваемся в повседневности. Когда мы бросаем монетку и, не глядя, закрываем ее ладонью, то знаем, что монетка уже лежит либо орлом, либо решкой кверху. Однако, согласно Копенгагенской интерпретации, «квантовая» монетка должна находиться в волноподобном состоянии одновременно орла и решки, пока мы на самом деле на нее не посмотрим. Но это порождает дополнительную проблему: что заставляет схлопываться волновую функцию? В лаборатории, как несложно себе представить, коллапс волновой функции вызывает человек-ученый, который считывает с инструментов данные о результатах эксперимента, но философски из этого следует особая роль, которую человеческие существа играют в космосе, — идея, от которой наука безвозвратно отошла уже несколько столетий назад.

Эйнштейн одобрил критическое выступление Шрёдингера. В письме 1950 г. он писал: