Страница 14 из 17
Более того, обнаружилось, что одна и та же частица одновременно может находиться в состоянии А и не-А. Речь идет о суперпозиции состояний или о наложении их друг на друга.
В классической физике исследуемый объект находится лишь в одном из множества возможных состояний. Он не может пребывать в нескольких состояниях одновременно, то есть нельзя придать смысл сумме состояний. Если я нахожусь в комнате, то меня, естественно, нет в коридоре. И я не могу одновременно выпрыгнуть в окно и выйти через дверь. Это нам всем понятно и согласуется со здравым смыслом.
Однако в квантовом мире имеет место совершенно другая ситуация. Любой квантовый объект не определен, он находится в суперпозиции возможных состояний. Это значит, что возможно наложение двух или большего числа состояний друг на друга без какого-то взаимного влияния.
Например, экспериментально доказано, что частица может одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель – это одно состояние, а та же частица, проходящая через вторую щель – это другое состояние. Эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний или квантовая суперпозиция состояний.
Рассмотрим в качестве примера интересный эксперимент, описанный выдающимся американским ученым, лауреатом Нобелевской премии по физике Робертом Фейнманом в своих лекциях [9].
Двухщелевой эксперимент
Представьте себе, что у вас имеется источник ускоренных электронов (электронная пушка). На пути потока электронов находится экран с двумя щелями. За экраном стоит детектор – прибор для регистрации электронов, прошедших через щели. Поток электронов, проходя через щели, попадает на детектор. По результатам регистрации строится график распределения электронов по длине детектора.
Двухщелевой эксперимент
Если бы у нас была пушка не с электронами, а с мелкими ядрами, то мы увидели бы, что большая часть ядер, прошедших через щели, скапливается напротив этих щелей. С учетом некоторого рассеяния сумма ядер, зарегистрированных напротив щелей, будет равна количеству ядер, вылетевших из пушки.
В случае с электронами наблюдается совершенно другая картина. Из пушки идет поток электронов, а на детекторе фиксируется наложение волн (интерференция).
Вначале решили, что это явление вызвано взаимодействием электронов между собой на пути от электронной пушки к детектору. Было решено испускать электроны не пучком в большом количестве, а поодиночке, чтобы на всем пути от пушки до детектора каждый электрон не мог столкнуться с другим электроном.
И что же? Полученная картина не изменилась: на детекторе по-прежнему фиксируется интерференция волн. Получается, что электроны ведут себя не как материальные объекты, а как волны, проходящие одновременно через обе щели.
Тогда ученые поставили рядом с одной щелью счетчик электронов, чтобы узнать, сколько из них пролетело через первую щель, а сколько через вторую. И что вы думаете? Электроны стали вести себя как отдельно взятые материальные объекты, счетчик начал считать частицы, а волновая интерференционная картина исчезла. Вот что представляет собой микромир.
Этот эксперимент явился серьезным ударом по материалистической картине бытия, неотъемлемым атрибутом которой являлся постулат о существовании независимого от наблюдателя внешнего мира.
Влияние приборов на измерения
Но это еще не все проблемы, возникшие в процессе исследования микромира. Ученые установили, что, проводя эксперименты с элементарными частицами, исследователь сам себе мешает собственными действиями. Дело в том, что приборы, в которых мы регистрируем частицы или проводим измерения, по своей природе всегда объекты макроскопические. При точном измерении одной из величин (например, координаты) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает сильное изменение.
Даже простейший эксперимент по измерению с помощью микроскопа координаты частицы (например, электрона) подтверждает наличие искажения. Дело в том, что для определения положения электрона его необходимо «осветить» светом возможно более высокой частоты. В результате соударения фотона с электроном изменяется импульс последнего. Прибор искажает то, что исследует. Сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое.
Принцип дополнительности Бора
В результате Нильсом Бором был сформулирован принцип дополнительности, который гласит: «Получение в эксперименте информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к данным».
Объективная реальность зависит от прибора, а в конечном счете – от наблюдателя. И наблюдатель из зрителя становится действующим лицом.
В результате всей этой неопределенности, вероятности и дополнительности Нильс Бор дал так называемую «копенгагенскую» интерпретацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной» [11].
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что «копенгагенизм» постулирует Вселенную, которая магически создается человеческой мыслью.
«Копенгагинистами» назывались сторонники Н. Бора, которые считали, что в основе природы лежит неопределенность (индетерминизм), а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение этого мира. Именно этой точки зрения придерживались Бор, Гейзенберг, Борн, Дирак, Паули и многие другие.
Но существовало и другое мнение, а именно: в основе природы лежит какая-то разновидность детерминизма (определенности), например, статистического характера в духе скрытых параметров, которая пока ускользает из поля зрения исследователей. Такой точки зрения придерживались Планк, Эйнштейн, Де Бройль, Шредингер. Лоренц, которые с самого начала отвергали «копенгагенизм», настаивая на том, что в конце концов будет найден способ утвердить «реальность» даже в квантовом мире [12].
Сторонники детерминизма были против подобной точки зрения. Шредингер предложил интересный объект мысленного эксперимента, которым хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
В 1935 году немецкий журнал «Естественные науки» опубликовал оригинальную статью о «квантовой запутанности», объект исследований которой получил всемирно известное название «кот Шредингера» [13].
Кот Шредингера
В закрытый ящик помещен кот. В ящике есть механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадется за один час, составляет 50 %. Если ядро распадается, это приведет механизм в действие: он разобьет емкость с ядовитым газом, и кот умрет. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Возникла суперпозиция (наложение) двух разных состояний. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента Шредингера – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого.