Страница 9 из 43
А вот в смеси состояний и пребывает. В этой… в «суперпозиции». И чтобы показать вам всю нелепость ваших некорректных вопросов и настойчивых попыток наглядно, то есть в макроскопических понятиях, представить то, что происходит в микромире, рассерженный квантовый механик начнет объяснять вам всю разницу между макро- и микромиром и невозможность «понимания» микрочастиц как своего рода обычных шариков, только «очень маленьких».
Шредингер был веселым человеком, во всяком случае – в молодости. Ему были скучны долгие разъяснения. Поэтому он придумал пример, который быстро и убедительно показывал, к какому абсурду приводят попытки «представить себе» законы поведения микрочастиц с помощью наглядных макроскопических тел. И в качестве такого «тела» он решил взять кошку (или кота, если вам угодно).
Вообразите себе яшик, в котором заперта кошка. Рядом с ней в том же ящике находится бутылочка с ядовитым газом. Бутылочка может быть открыта дистанционно и автоматически, с помощью фотоэлемента- Фотоэлемент находится в другом яшике, вместе с летающим там атомом радиоактивного элемента. Атом радиоактивного элемента имеет определенную вероятность распасться в течение любого определенного времени – например, одной секунды или одного часа. «Имеет вероятность» – это значит, что он может распасться, а может не распасться. Как описать состояние такой квантово-механической системы, которая имеет какую-то вероятность спустя секунду или час пойти по тому «жизненному пути» или по другому? В такой формулировке это сразу напоминает нам опыт с микрочастицей и двумя щелями. Правильно. Состояние такого радиоактивного атома тоже представляет собой смесь двух состояний – «состояния распада» и «состояния не-распада». Прекрасно. Но мы упорно желаем представить себе такую «смесь» наглядно, в макроскопических терминах. За это желание мы и будем сейчас наказаны.
Если атом распадется, он испустит при этом квант света. Этот квант упадет на фотоэлемент и приведет его в действие. Фотоэлемент откроет бутылочку с газом, и бедная кошка умрет. Но это не самое худшее, на что она обречена из- за нашей одержимости «наглядностью». Ведь если атом не распадется, она не умрет. Иными словами, ее состояние – в придуманных Шредингером условиях – зависит от состояния атома. А в каком состоянии находится атом в каждый данный момент? В смеси состояний? Ага. В каком же состоянии находится в каждый данный момент кошка (пока мы еще не знаем исхода эксперимента)? Правильно: в смеси состояний, которая лучше всего описывается выражением «ни жива ни мертва». В буквальном смысле.
Кошка Шредингера (или кот, если угодно) – совершенно, абсолютно, предельно несчастное животное, куда более несчастное, чем Ромео и Джульетта. Те были сначала живы, а потом мертвы, увы, а эта-этот кошка-кот (Ромео и Джульетта в одном лице) каждое мгновение «размазан» – по жизни и смерти одновременно. И все потому, что мы сделали его состояние напрямую зависимым от состояния микрочастицы.
Я сниму тяжесть с вашей души. Успокойтесь. Никогда никакое животное не окажется размазанным между жизнью и смертью. Парадоксальная ситуация со шредингеровской кошкой возникла, на самом деле, только потому, что мы молчаливо допустили, будто состояние микрочастицы можно перенести на состояние макрообъекта абсолютно без всяких искажений. А это не так. Ведь, скажем, фотоэлемент тоже состоит из атомов. И они находятся в непрерывном тепловом движении. Равно как и атомы обоих яшичков. И атомы бутылочки с газом (не говоря уже о кошке). Так вот, на самом деле воздействие этого хаотического движения полностью «сотрет» молчаливо постулированную нами четкую связь состояния атома и состояния кошки. Чтобы устранить это воздействие, нужно полностью исключить тепловой обмен, а это невозможно.
Вы успокоились? Вот и прекрасно. А Шредингер давно уже забыл и о вас, и о кошке – вон он там, далеко, уходит с дамой своего легкомысленного сердца, весело помахивая тросточкой и что-то ей на ходу объясняя – уж наверняка не свое уравнение.
Вот, однако, интересный вопрос, пока вы тут, а он там: а нельзя ли поближе приглядеться, как именно происходит такое «стирание» взаимосвязи между микро- и макромиром? Что конкретно спасает кошку?
Для этого нужно придумать эксперимент, в котором роль кошки играл бы какой-то иной объект – тоже макроскопический, но поддающийся физическому исследованию без угрозы быть поцарапанным. Если вы думаете, что это досужие забавы (я имею в виду не царапины – какие уж тут забавы! – а эксперимент), вы глубоко ошибаетесь: не так давно в самом престижном сегодня физическом журнале «Physical Review Letters А» группа физиков из Лондонского Королевского колледжа под руководством С. Бозе опубликовала целую статью именно о таком эксперименте. Вместо радиоактивного атома они предложили использовать квант света, замкнутый внутри некоей полости с отражающими стенками, а вместо кошки – подвешенное на тончайшей нити легчайшее и крохотнейшее зеркало. Квант света – тоже микрочастица, поэтому он может быть переведен в состояние, являющееся смесью двух простых состоянии (это уже осуществили несколько лет назад Давид Причард и его коллеги из Массачусетсского технологического института в США), и остается посмотреть, каким образом это его пребывание в «смеси состояний» будет влиять на состояние зеркальца. Разумеется, для того чтобы ощутить такое влияние, зеркальце должно быть достаточно чувствительным, то ссть либо очень мало, либо почти невесомо. Существующие сегодня зеркальца этим требованиям не удовлетворяют. Как им удовлетворить, авторы статьи еще не придумали. Эксперимент они уже придумали, а над зеркальцем думают. Ну, пусть думают. К тому времени как придумают, авось и Шредингер возвратится. Чай, ему интересно все-таки, что будет с его кошкой. (Все-таки с кошкой, я думаю…)
Если вас тоже интересует дальнейшая судьба несчастного животного, я позволю себе рекомендовать вам статью Филиппа Яма «Воскрешение шредингеровской кошки» из журнала «Сайентифик америкэн». О задумке С. Бозе вы там, правда, еще ничего не найдете, это самое последнее слово в истории знаменитой кошки, но зато узнаете, что кроме принципиального значения эта история имеет еще и немаловажное прикладное. Ведь если перевернуть наш эксперимент, то кошку в ящике можно рассматривать как своего рода измерительный прибор, «показания» которого (жизнь или смерть) позволяют узнать, в каком из двух возможных состояний «в действительности» находится квантовая часгица (в данном случае – радиоактивный атом). И тогда – через кошку – открывается путь к детальному исследованию того, каким именно образом процесс измерения разрушает сложное состояние квантовой частицы («наложение состояний») и превращает его в простое (атом распался или не распался). Заменяя измученное животное разного рода реальными измерительными приборами все меньшего и меньшего размера, несколько групп физиков уже продвинулись в понимании этого процесса, создали ряд теорий различной степени сложности, предлагающих то или иное объяснение всех нюансов этого процесса, и попутно показали (вот оно, прикладное значение!), какие ограничения имеются на пути создания вожделенных, но пока еще не реализованных «квантовых компьютеров», которые могли бы использовать способность квантовых частиц переходить из одного состояния в другое и наоборот. Как показали все эти опыты со «шредингеровскими кошками», весьма серьезные ограничении.
Вот так. А вы, небось, думали, что кошка может только мурлыкать.
Одним из глобальных научных событий прошедшего столетия, порожденных квантовой механикой, физики считают создание лазера. В сферу его многочисленных применений сегодня входят и тончайшие исследовании поверхностей, приносящие информацию о взаимодействии молекул и атомов и их внутреннем устройстве