Читать книгу "Что думают гении. Говорим о важном с теми, кто изменил мир - Алекс Белл"

кувшин, то он бесполезен: стебли опускаются, и вы не можете найти ягоды. Странно, что с электронами так же.

– Странно – не то слово. Впрочем, это хоть и важная, но не самая большая загадка.

Электрон ведет себя одновременно и как частица, и как волна. В нашем обыденном понимании должно быть либо то, либо другое. Когда мы «видим» его как волну, сам электрон может с разной вероятностью находиться в разных ее частях. Вроде звучит не страшно, но это не то, к чему мы привыкли. Представьте себе, что вы потеряли в комнате теннисный мячик. С вероятностью в 70 процентов он закатился под кровать, 20 процентов – лежит на столе, 10 – застрял наверху, между книжными полками. Вы проверяете и находите мячик в одном из этих трех мест. С электроном все иначе. Он один, как и мячик. Он не может дробиться, он, как и мячик, имеет размер. Несмотря на это, он физически на 70 процентов находится целиком, полностью в одной части атома, на 20 процентов – в другой, на 10 – где-то далеко в космосе (если его функция это позволяет). Такое явление называется «суперпозицией». Электрон находится одновременно в нескольких разных местах до того момента, когда мы проведем измерение, наблюдение. Как только прибор (датчик) на него «смотрит», электрон мгновенно превращается из волны в частицу, которая теперь находится только в одном, четко определенном месте. Это называется «коллапсом» волновой функции.

– Это действительно странно. Но можно ли это назвать чудом?

– Разумеется, можно. Понимаете, сам акт наблюдения за частицей мгновенно меняет ее состояние. Но даже это было бы еще полбеды. Чем более изощренные эксперименты мы ставим, тем страннее все становится. Представьте себе, что за частицей наблюдает работающий прибор, но который не может сообщить информацию о ней куда-то дальше, во внешний мир. Например, прибор стоит в темной комнате, где нет ученых, и его работа не записывается. То есть акт наблюдения есть, но нет возможности прибору куда-то передать информацию о том, что именно он «увидел». В этом случае коллапса электрона не происходит. Ему «неинтересен» прибор, который ни о чем не «проболтается» людям. Или другим приборам, но обязательно связанным с внешним миром.

– Ну, это уже совсем мистика какая-то.

– Еще нет. Есть даже более странная вещь, ставящая нас, ученых, в полный тупик. Представим себе лабораторию, в которой летают электроны и за ними наблюдают два прибора. Оба этих прибора записывают увиденное. Далее, спустя час в лабораторию заходит ученый. Он просматривает запись первого прибора и стирает, не посмотрев запись второго прибора. Оказывается, что в первом случае коллапс электрона час назад произошел, а во втором – нет. Если он сотрет, не просмотрев, обе записи, то окажется, что коллапса не было в обоих случаях. Электрон не превратился в частицу ни там, ни там. Вы понимаете, что это значит? Электрон, пролетая через щель под датчиком, всегда безошибочно знает заранее (!), увидит человек запись его пролета в будущем или нет. И ведет себя соответствующим образом. Вот что это за дьявольщина такая?

– Если честно, звучит пугающе. Выходит, мы вообще ничего не знаем о природе нашего мира.

– Выходит, что так. В квантовом мире нет привычного нам понятия причинности. Когда мы бьем ракеткой по мячу, легко рассчитать, как и куда он полетит. Но с электронами все не так. Зная текущее состояние частицы, нельзя ничего точно сказать о ее прошлом – есть лишь набор разных вероятностей того, какой она была раньше и откуда она в эту точку могла прилететь. То есть не в том дело, что мы с вами плохие детективы. Природа запрещает нам это знать. Нет и понятия определенности: далее из этой точки один конкретный электрон может полететь куда его душе угодно. Мы лишь знаем вероятность. Если мы хотим отследить тысячу похожих электронов, то можно заранее рассчитать, что семьсот из них полетят прямо, двести налево, сто направо. Но когда мы имеем лишь один электрон, он летит куда ему угодно. Выходит, весь наш мир хаотичен, неопределенен по своей природе. Именно это так терзает Эйнштейна. Он отказывается в это верить. И напоследок: в квантовом мире мы не можем быть уверенными в стреле времени. Вполне может быть, что электроны свободно путешествуют как из прошлого в будущее, так и из будущего в прошлое. По крайней мере, формулы не запрещают, а скорее доказывают такую возможность.

– Но, насколько я знаю, ученые все равно не оставляют попыток пролить свет на парадоксы квантовой физики, как-то объяснить их.

– Да, мы пытаемся интерпретировать происходящее. Шрёдингер, автор главного уравнения и большой любитель кошек, придумал занятную аналогию. Представьте, что в ящике заперт кот. В ящике есть капсула со смертельным газом, как-то привязанная к электрону. Если электрон летит влево, то ничего не происходит, если вправо – то капсула открывается и кот умирает от яда. Далее, мы помним, что электрон до наблюдения находится в суперпозиции. То есть одновременно в двух положениях. Получается, капсула и открыта, и закрыта. Значит, кот внутри ящика – и жив, и мертв.

– О парадоксе «кота Шрёдингера» знают даже школьники. И всем немного жаль этого кота.

– Когда мы открываем ящик, то производим наблюдение. Электрон коллапсирует, оказываясь в одной точке. Теперь кот точно либо жив, либо мертв. Но вот что было до этого? Непонятно…

– Насколько я знаю, недавно Эйнштейн с двумя соавторами предложил еще один удивительный мысленный эксперимент. Кажется, им он окончательно завел все дело в тупик.

– Речь идет о двух так называемых спутанных фотонах. Есть две частицы, о которых известно, что у них разные спины (представим их как направления их вращения, хоть это не совсем так). Пока за ними не наблюдают, они находятся в суперпозиции: у них нет точного спина – они ни в одну сторону не «вертятся». Допустим, частицы разлетаются в разные части Вселенной. Затем мы производим измерение одной из них. Допустим, ее спин оказывается равным +1. Грубо говоря, частица начинает вращаться строго вправо. В тот же самый миг другая частица обретает спин –1, то есть закручивается влево. Еще раз: обретение второй частицей ее спина происходит мгновенно. Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто в природе не может перемещаться быстрее света. На этом построена вся современная картина мироустройства. Но оказывается, есть квантовая спутанность, которая передается с абсолютной скоростью. На любое расстояние, хоть на край Вселенной – мгновенно.

От всех этих чудес квантовой механики у меня и самого начала кружиться голова. С разрешения хозяина я налил себе еще полкружки бесплатного пива, чтобы немного взбодриться.

– Господин Бор. Я хоть и дилетант, но попробую подытожить. На