Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.

Кот Шредингера

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.

По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.

У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.

Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.

Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.

Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.

Дифракция электронов

По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?

Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.

В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.

При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).

Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.

Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.

Нагретый фуллерен

Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.

Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.

Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.

В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.

Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.

Замирающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.

Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).

Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.

Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?

Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.

Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».

Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.

Суть эксперимента заключается в том, что на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого установлен другой, проекционный экран, направляют пучок света. Особенность прорезей заключается в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Логично было бы предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого свет распространяется в виде полос, в которых чередуются участки света и темноты, то есть свет ведет себя как волна. Это явление называется « интерференция », и именно его демонстрация Томасом Юнгом стала доказательством справедливости волновой теории. Переосмысление этого эксперимента могло бы объединить квантовую механику с другой опорой теоретической физики, общей теорией относительности Энштейна, — вызов, который до сих пор остается неразрешимым на практике.

Для того, чтобы вычислить вероятность появления фотона в том или ином месте на экране, физики используют принцип под названием « правило Борна ». Тем не менее, для этого нет никаких причин — эксперимент всегда проходит одинаково, но никто не знает почему. Некоторые энтузиасты пытались объяснить этот феномен из интерпретации квантово-механической теории о «множественных мирах», в которой предполагается, что все возможные состояния квантовой системы могут существовать в параллельных вселенных, но эти попытки ни к чему не привели.

Это обстоятельство позволяет использовать правило Борна как доказательство наличия в квантовой теории нестыковок. Для того, чтобы объединить квантовую механику, которая оперирует Вселенной в узких временных масштабах, и общую теорию относительности, которая работает с огромными промежутками времени, одна из теорий должна уступить дорогу. Если же правило Борна неверно, то это будет первый шаг к изучению квантовой гравитации. «Если правило Борна будет нарушено, что будет нарушена и фундаментальная аксиома квантовой механики, и мы узнаем, где следует искать ответ на теории о квантовой гравитации», говорит Джеймс Куотч из Института науки и техники в Испании.

Куотч предложил новый способ проверить правило Борна. Он исходил из идеи физика Фейнмана: для того, чтобы вычислить вероятность возникновения частицы в той или иной точке экрана, вы должны учитывать все возможные пути, по которым это может произойти, даже если они кажутся смешными. «Учитывается даже та вероятность, что частица долетит до Луны и вернется обратно», говорит Куотч. Практически ни один из путей не повлияет на окончательное местоположение фотона, но некоторые, весьма необычные, могут в конечном итоге изменить его координаты. К примеру предположим, что у нас есть три пути, благодаря которым частица может пролететь сквозь экран, вместо двух очевидных (т.е. вместо той или иной щели). Правило Борна в этом случае позволяет рассматривать помехи, которые могут возникнуть между двумя очевидными вариантами, но не между всеми тремя.

Джеймс показал, что, если учитывать все возможные отклонения, то итоговая вероятность того, что фотон угодит в точку Х, будет отличаться от результата, который предполагает правило Борна. Он предложил использовать в качестве третьего пути блуждающий зигзаг: так, частица проходит сначала сквозь левое отверстие, затем сквозь правое, и лишь затем направляется к экрану. Если третий путь препятствует первым двум — изменится и результат вычислений. Работа Куотча вызвала большой интерес, и Анинда Синха в Индийском институте науки в Бангалоре — член команды, которая впервые предложила использовать для опровержения правила Борна извилистые, «нетрадиционные» пути, — с ней полностью согласен. Однако ученый указывает и на то, что существует слишком много неучтенных вероятностей, чтобы сейчас можно было говорить о чистоте эксперимента. Как бы то ни было, результаты этой работы откроют человечеству дверь в область более глубокого понимания реальности.

Сама попытка вообразить картину элементарных частиц и думать о них визуально - значит иметь абсолютно неверное представление о них.

В. Гейзинберг

В ближайших двух главах на примере конкретных экспериментов мы познакомимся с базовыми представлениями квантовой физики, сделаем их понятными и «рабочими». Затем обсудим необходимые нам теоретические концепции и применим их к тому, что чувствуем, видим, наблюдаем. А далее рассмотрим то, что обычно относят к мистике.

Согласно классической физике, исследуемый объект находится лишь в каком-то одном из множества возможных состояний. Он не может пребывать в нескольких состояниях одновременно, нельзя придать смысл сумме состояний. Если я нахожусь сейчас в комнате, я, стало быть, не в коридоре. Состояние, когда я нахожусь и в комнате, и в коридоре, невозможно. Я ведь не могу в одно и то же время находиться и там, и там! И не могу одномоментно выйти отсюда через дверь и выпрыгнуть в окно: я либо выхожу через дверь, либо выскакиваю в окно. Очевидно, такой подход полностью согласуется с житейским здравым смыслом.

В квантовой механике (КМ) такая ситуация является лишь одной из возможных. Состояния системы, когда реализуется только один из множества вариантов, в квантовой механике называют смешанными , или смесью . Смешанные состояния являются по сути классическими - система может быть с определенной вероятностью обнаружена в одном из состояний, но никак не в нескольких состояниях сразу.

Однако известно, что в природе имеет место и совершенно другая ситуация, когда объект находится в нескольких состояниях одновременно. Иными словами, происходит наложение двух или большего числа состояний друг на друга без какого-либо взаимного влияния. Например, экспериментально доказано, что один объект, который мы по привычке называем частицей, может одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель, - это одно состояние, та же частица, проходящая через вторую, - другое. И эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний! В таком случае говорят о суперпозиции состояний, или о чисто-квантовом состоянии.

Речь идет о квантовой суперпозиции (когерентной суперпозиции), то есть о суперпозиции состояний, которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения. Суперпозиционные состояния могут существовать лишь при отсутствии взаимодействия рассматриваемой системы с окружением. Они описываются посредством так называемой волновой функции, которую также называют вектором состояния. Это описание формализуется заданием вектора в гильбертовом пространстве , определяющим полный набор состояний, в которых может находиться замкнутая система.

См. словарь основных терминов в конце книги. Напомню, что выделенные шрифтом места предназначены для читателя, предпочитающего достаточно строгие формулировки или желающего ознакомиться с математическим аппаратом КМ. Эти кусочки можно без боязни за общее понимание текста пропустить, особенно при первом чтении.

Волновая функция - это частный случай, одна из возможных форм представления вектора состояния как функции координат и времени. Это представление системы, максимально приближенное к привычному классическому описанию, предполагающему наличие общего и независимого ни от чего пространства – времени.

Наличие этих двух типов состояний - смеси и суперпозиции - является основой для понимания квантовой картины мира и ее связи с мистической. Другой важной для нас темой будут условия перехода суперпозиции состояний в смесь и наоборот. Эти и другие вопросы мы разберем на примере знаменитого двухщелевого эксперимента .

В описании двухщелевого эксперимента мы придерживаемся изложения Ричарда Фейнмана, см.: Фейнман Р . Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1977. Т. 3. Гл. 37–38.

Для начала возьмем пулемет и мысленно проведем эксперимент, показанный на рис. 1

Он не очень хорош, наш пулемет. Он выпускает пули, направление полета которых заранее неизвестно. То ли направо они полетят, то ли налево…. Перед пулеметом стоит броневая плита, а в ней проделаны две щели, через которые пули свободно проходят. Далее стоит «детектор» - любая ловушка, в которой застревают все попавшие в нее пули. По окончании эксперимента можно пересчитать число пуль, застрявших в ловушке, на единицу ее длины и разделить это число на общее количество выпущенных пуль. Или на время стрельбы, если скорость стрельбы считать постоянной. Эту величину - число застрявших пуль на единицу длины ловушки в окрестности некоторой точки Х , отнесенное к полному числу пуль, мы будем называть вероятностью попадания пули в точку Х . Заметим, что мы можем говорить только о вероятности - нельзя сказать определенно, куда попадет очередная пуля. И даже попав в дыру, она может срикошетить от ее края и уйти вообще неизвестно куда.

Мысленно проведем три опыта: первый - когда открыта первая щель, а вторая закрыта; второй - когда открыта вторая щель, а первая закрыта. И, наконец, третий опыт - когда обе щели открыты.

Результат нашего первого «эксперимента» показан на том же рисунке, на графике. Ось вероятности в нем отложена вправо, а координата - это и есть положение точки X . Пунктирная линия показывает распределение вероятности P 1 попавших в детектор пуль при открытой первой щели, кривая из точек - вероятность попадания в детектор пуль при открытой второй щели и сплошная линия - вероятность попадания в детектор пуль при обеих открытых щелях, которую мы обозначили как P 12 . Сравнив величины P 1 , P 2 и P 12 , мы можем сделать вывод, что вероятности просто складываются,

P 1 + P 2 = P 12 .

Итак, для пуль воздействие двух одновременно открытых щелей складывается из воздействия каждой щели в отдельности.

Представим себе такой же опыт с электронами, схема которого показана на рис. 2.

Возьмем электронную пушку, наподобие тех, что когда-то стояли в каждом телевизоре, и поместим перед нею непрозрачный для электронов экран с двумя щелями. Прошедшие через щели электроны можно регистрировать различными методами: с помощью сцинтиллирующего экрана, попадание электрона на который вызывает вспышку света, фотопленки или с помощью счетчиков различных типов, например, счетчика Гейгера.

Результаты подсчетов в случае, когда одна из щелей закрыта, вполне предсказуемы и очень похожи на итоги пулеметной стрельбы (линии из точек и штрихов на рисунке). А вот в случае, когда обе щели открыты, мы получаем совершенно неожиданную кривую P 12 , показанную сплошной линией. Она явно не совпадает с суммой P 1 и P 2 ! Получившуюся кривую называют интерференционной картиной от двух щелей.

Давайте попробуем разобраться, в чем тут дело. Если мы исходим из гипотезы, что электрон проходит либо через щель 1, либо через щель 2, то в случае двух открытых щелей мы должны получить сумму вкладов от одной и другой щели, как это имело место в опыте с пулеметной стрельбой. Вероятности независимых событий складываются, и в этом случае мы бы получили P 1 + P 2 = P 12 . Во избежание недоразумений отметим, что графики отражают вероятность попадания электрона в определенную точку детектора. Если пренебречь статистическими ошибками, эти графики не зависят от полного числа зарегистрированных частиц.

Может, мы не учли какой-нибудь существенный эффект, и суперпозиция состояний (то есть одновременное прохождение электрона через две щели) здесь совсем не при чем? Может быть, у нас очень мощный поток электронов, и разные электроны, проходя через разные щели, как-то искажают движение друг друга? Для проверки этой гипотезы надо модернизировать электронную пушку так, чтобы электроны вылетали из нее достаточно редко. Скажем, не чаще, чем раз в полчаса. За это время каждый электрон уж точно пролетит все расстояние от пушки до детектора и будет зарегистрирован. Так что никакого взаимного влияния летящих электронов друг на друга не будет!

Сказано - сделано. Мы модернизировали электронную пушку и полгода провели возле установки, проводя эксперимент и набирая необходимую статистику. Каков же результат? Он ничуть не изменился.

Но, может быть, электроны каким-то образом блуждают от отверстия к отверстию и только потом достигают детектора? Это объяснение также не подходит: на кривой P 12 при двух открытых щелях есть точки, в которые попадает значительно меньше электронов, чем при любой из открытых щелей. И наоборот, есть точки, вероятность попадания электронов в которые более чем вдвое превышает вероятность попадания электронов, прошедших через каждую щель по отдельности.

Стало быть, утверждение о том, что электроны проходят либо сквозь щель 1, либо сквозь щель 2, неверно. Они проходят через обе щели одновременно. И очень простой математический аппарат, описывающий такой процесс, дает абсолютно точное согласие с экспериментом, показанным сплошной линией на графике.

Если подойти к вопросу более строго, то утверждение, что электрон проходит одновременно через две щели, неверно. Понятие «электрон» можно соотнести только с локальным объектом (смешанным, «проявленным» состоянием), здесь же мы имеем дело с квантовой суперпозицией различных компонент волновой функции.

Чем же отличаются пули от электронов? С точки зрения квантовой механики - ничем. Только, как показывают расчеты, интерференционная картина от рассеяния пуль характеризуется столь узкими максимумами и минимумами, что никакой детектор их зарегистрировать не в состоянии. Расстояния между этими минимумами и максимумами неизмеримо меньше размеров самой пули. Так что детекторы будут давать усредненную картину, показанную сплошной кривой на рис. 1.

Давайте теперь внесем такие изменения в эксперимент, чтобы можно было «проследить» за электроном, то есть узнать, через какую щель он проходит. Поставим возле одной из щелей детектор, который регистрирует прохождение электрона сквозь нее (рис. 3).

В этом случае, если пролетный детектор регистрирует прохождение электрона через щель 2, мы будем знать, что электрон прошел через эту щель, а если пролетный детектор не дает сигнала, а основной детектор дает сигнал, то ясно, что электрон прошел через щель 1. Можно поставить и два пролетных детектора - на каждую из щелей, но это никак не скажется на результатах нашего опыта. Конечно, любой детектор, так или иначе, исказит движение электрона, но будем считать это влияние не очень существенным. Для нас ведь куда более важен сам факт регистрации того, через какую из щелей проходит электрон!

Как вы думаете, какую картину мы увидим? Результат эксперимента показан на рис. 3, качественно он ничем не отличается от опыта с пулеметной стрельбой. Таким образом, мы выяснили, что, когда мы смотрим на электрон и фиксируем его состояние, то он проходит либо через одно отверстие, либо через другое. Суперпозиции этих состояний нет! А когда мы на него не смотрим, электрон одновременно проходит через две щели, и распределение частиц на экране совсем не такое, как тогда, когда мы на них смотрим! Выходит, наблюдение как бы «вырывает» объект из совокупности неопределенных квантовых состояний и переводит его в проявленное, наблюдаемое, классическое состояние.

Может быть, все это не так, и дело только в том, что пролетный детектор слишком сильно искажает движение электронов? Проведя дополнительные опыты с различными детекторами, по-разному искажающими движение электронов, мы заключаем, что роль этого эффекта не очень существенна. Существенным оказывается только сам факт фиксации состояния объекта!

Таким образом, если измерение, проведенное над классической системой, может и не оказать никакого влияния на ее состояние, для квантовой системы это не так: измерение разрушает чисто квантовое состояние, переводя суперпозицию в смесь.

Сделаем математическое резюме полученных результатов. В квантовой теории вектор состояния принято обозначать символом | >. Если какой-то набор данных, определяющих систему, обозначить буквой x, то вектор состояния будет иметь вид |x>.

В описанном эксперименте при открытой первой щели вектор состояния обозначается как |1>, при открытой второй щели - как |2>, при двух открытых щелях вектор состояния будет содержать две компоненты,

|x> = a|1> + b|2>, (1)

где a и b - комплексные числа, называемые амплитудами вероятности. Они удовлетворяют условию нормировки |a| 2 + |b| 2 = 1.

В случае, если поставлен пролетный детектор, квантовая система перестает быть замкнутой, поскольку с ней взаимодействует внешняя система - детектор. Происходит переход суперпозиции в смесь , и теперь вероятности прохождения электронов через каждую из щелей даются формулами P 1 = |a| 2 , P 2 = |b| 2 , P 1 + P 2 = 1. Интерференция отсутствует, мы имеем дело со смешанным состоянием.

Если же событие может произойти несколькими взаимоисключающими с классической точки зрения способами, то амплитуда вероятности события - это сумма амплитуд вероятности каждого отдельного канала, а вероятность события определяется формулой P = |(a|1> + b|2>)| 2 . Возникает интерференция, то есть взаимное влияние на результирующую вероятность обеих компонент вектора состояния. В этом случае говорят, что мы имеем дело с суперпозицией состояний.

Отметим, что суперпозиция - это не смесь двух классических состояний (немного одного, немного другого), это нелокальное состояние, в котором электрона, как локального элемента классической реальности, нет. Лишь в ходе декогеренции , вызванной взаимодействием с окружением (в нашем случае - экраном), электрон возникает в виде локального классического объекта.

Декогеренция - это процесс перехода суперпозиции в смесь, из нелокализованного в пространстве квантового состояния в наблюдаемое.

Теперь - короткий экскурс в историю подобных опытов. Впервые интерференцию света на двух щелях наблюдал английский ученый Томас Юнг в начале XIX века. Затем, в 1926–1927 годах К. Д. Дэвиссоном и Л. X. Джермером в экспериментах с использованием монокристалла никеля была открыта дифракция электронов - явление, когда при прохождении электронами через множество «щелей», образованных плоскостями кристалла, наблюдаются периодические пики в их интенсивности. Природа этих пиков совершенно аналогична природе пиков в двухщелевом эксперименте, а их пространственное расположение и интенсивность позволяют получить точные данные о структуре кристалла. Этим ученым, а также Д. П. Томсону, который независимо от них также открыл дифракцию электронов, в 1937 году была присуждена Нобелевская премия.

Затем подобные опыты многократно повторялись, в том числе и с летящими «поштучно» электронами, а также с нейтронами и атомами, и во всех них наблюдалась предсказываемая квантовой механикой интерференционная картина. Впоследствии были проведены эксперименты с более крупными частицами. Один из таких опытов (с молекулами тетрафенилпорфирина) был проведен в 2003 году группой ученых из Венского университета во главе с Антоном Цайлингером . В этом классическом двухщелевом эксперименте было четко продемонстрировано наличие интерференционной картины от одновременного прохождения очень большой по квантовым меркам молекулы через две щели.

Hackermueller L., Uttenthaler S., Hornberger K., Reiger E., Brezger B., Zeilinger A. and Arndt M. Wave Nature of Biomolecules and Fluorofullerenes. Phys. Rev. Lett. 91, 090408 (2003).

Наиболее впечатляющий на сегодняшний день эксперимент был недавно проведен той же группой исследователей . В этом исследовании пучок фуллеренов (молекул C 70 , содержащих 70 атомов углерода) рассеивался на дифракционной решетке, состоящей из большого числа узких щелей. При этом имелась возможность вести контролируемый нагрев летящих в пучке молекул C 70 посредством лазерного луча, что позволяло менять их внутреннюю температуру (иначе говоря, среднюю энергию колебаний атомов углерода внутри этих молекул).

Hackermueller L., Hornberger K., Brezger B., Zeilinger A. and Arndt M. Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation // Nature 427, 711 (2004).

Теперь вспомним, что любое нагретое тело, в том числе молекула фуллерена, испускает тепловые фотоны, спектр которых отражает среднюю энергию переходов между возможными состояниями системы. По нескольким таким фотонам можно, в принципе, с точностью до длины волны испускаемого кванта определить траекторию испустившей их молекулы. Отметим, что чем выше температура и, соответственно, меньше длина волны кванта, тем с большей точностью мы могли бы определить положение молекулы в пространстве, а при некоторой критической температуре точность окажется достаточна для определения, на какой конкретно щели произошло рассеяние.

Соответственно, если бы кто-то окружил установку Цайлингера совершенными детекторами фотонов, то он, в принципе, мог бы установить, на какой из щелей дифракционной решетки рассеялся фуллерен. Другими словами, испускание молекулой квантов света дало бы экспериментатору ту информацию для разделения компонент суперпозиции, которую нам давал пролетный детектор. Однако никаких детекторов вокруг установки не было. Как и предсказывала теория декогеренции , их роль сыграла окружающая среда.

Подробнее о теории декогеренции будет идти речь в главе 6.

В эксперименте было обнаружено, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, совершенно аналогичная картине от двух щелей в опыте с электронами. Включение лазерного нагрева приводит сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции. Было получено, что при температурах T < 1000K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T > 3000K, когда траектории фуллеренов «фиксируются» окружающей средой с необходимой точностью - как классические тела.

Таким образом, роль детектора, способного выделять компоненты суперпозиции, оказалась способна выполнять окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами в той или иной форме и записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена. Никакого специального устройства не надо! Совершенно не важно, через что идет обмен информацией: через специально поставленный детектор, окружающую среду или человека. Для разрушения когерентности состояний и исчезновения интерференционной картины имеет значение только принципиальное наличие информации, через какую из щелей прошла частица, а кто ее получит, не важно. Иначе говоря, фиксация или «проявление» суперпозиционных состояний вызывается обменом информацией между подсистемой (в данном случае - частицей фуллерена) и окружением.

Возможность контролируемого нагрева молекул позволила в данном эксперименте изучить переход от квантового к классическому режиму во всех промежуточных стадиях. Оказалось, что расчеты, выполненные в рамках теории декогеренции (о ней пойдет речь ниже), полностью согласуются с экспериментальными данными.

Иначе говоря, в эксперименте подтверждены выводы теории декогеренции о том, что в основе наблюдаемой реальности лежит нелокализованная и «невидимая» квантовая реальность, которая становится локализованной и «видимой» в ходе происходящего при взаимодействии обмена информацией и сопутствующей этому процессу фиксацией состояний.

На рис. 4 приведена схема установки Цайлингера, без всяких комментариев. Полюбуйтесь на нее, просто так.

Группа экспериментаторов, возглавляемая известным физиком Робертом Бойдом (который, в частности, был первым, кто осуществил «замедление света» при комнатной температуре), придумала и реализовала схему, демонстрирующую вклад так называемых «неклассических» траекторий в картину, получаемую при интерференции фотонов на трёх щелях.

Интерференция на двух щелях - это классический эксперимент, демонстрирующий волновые свойства света. Впервые он был осуществлён в самом начале XIX века Томасом Юнгом, и стал одной из главных причин отказа от доминирующей тогда корпускулярной теории света.

В начале XX века, однако, было выяснено, что свет всё же состоит из частиц, получивших название фотонов, но эти частицы загадочным образом обладают и волновыми свойствами. Возникла концепция корпускулярно-волнового дуализма, которая была распространена также и на частицы материи. В частности, наличие волновых свойств было обнаружено у электронов, а позднее и у атомов и молекул.

В новом разделе физики, возникшем в результате, - квантовой механике - возникновение интерферометрической картины в эксперименте с двумя щелями играет одну из центральных ролей. Так, Ричард Фейнман в своих «Фейнмановских лекциях по физике» пишет, что это явление, «которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится самая суть квантовой механики.»

Эксперимент с двумя щелями демонстрирует одно из центральных понятий квантовой физики - квантовую суперпозицию. Принцип квантовой суперпозиции утверждает, что если некий квантовый объект (например, фотон или электрон) может находиться в неком состоянии 1 и в неком состоянии 2, то он может находиться и в состоянии, которое является в некотором смысле частично и состоянием 1, и состоянием 2, это состояние и называется суперпозицией состояний 1 и 2. В случае с щелями частица может пройти через одну щель, а может через другую, но если обе щели открыты, то частица проходит через обе и оказывается в состоянии суперпозиции «частицы, прошедшей через щель 1» и «частицы, прошедшей через щель 2».

Кроме того, учёт неклассических траекторий важен для ещё одного направления в современной фундаментальной физики. Одна из главных нерешённых проблем, стоящих перед учёными, - это объединение квантовой теории с теорией гравитации. Существуют принципиальные сложности на этом пути, которые, как считают многие, можно преодолеть только видоизменив или одну из этих теорий, или сразу обе. Поэтому сейчас идут поиски возможных расхождений реальности с предсказаниями этих теорий. Одним из направлений является поиск отклонений от принципа квантовой суперпозиции. Так, например, в 2010 году было опубликовано исследование, в котором пытались найти такие отклонения в трёхщелевом эксперименте . Никаких расхождений не обнаружили, но эта статья спровоцировала упоминавшуюся выше работу 2012 года. Один из её выводов заключался как раз в том, что в эксперименте 2010 года было использовано неправильное понимание принципа квантовой суперпозиции, и это внесло свою долю неучтённой ошибки в измерения. И хотя величина этой ошибки и мала, но и эффект, который ищут учёные, тоже может быть невелик, поэтому в таких поисках вклад неклассических траекторий следует всё же учитывать.

Статья была написана для проекта

• квантовый объект (вроде электрона) может быть более чем в одном месте в одно время. Он может быть измерен как волна, размазанная в пространстве, и может располагаться в нескольких различных точках по всей волне. Это называется свойство волны.
• квантовый объект перестает существовать здесь и спонтанно возникает там без перемещения в пространстве. Это известно как квантовый переход. По сути это телепорт.
• проявление одного квантового объекта, вызванное нашими наблюдениями, спонтанно влияет на связанный с ним объект-близнец, вне зависимости от того, как далеко тот находится. Выбейте электрон и протон из атома. Что бы ни случилось с электроном, то же произойдет с протоном. Это называется «квантовое действие на расстоянии».
• квантовый объект не может проявиться в обычном пространстве-времени, пока мы не будем наблюдать его как частицу. Сознание разрушает волновую функцию частицы.

Последний пункт интересен тем, что без осознанного наблюдателя, который заставляет волну коллапсировать, она будет оставаться без физического проявления. Наблюдение не только беспокоит измеряемый объект, оно вызывает эффект. Это было проверено так называемым двухщелевым экспериментом, когда присутствие сознательного наблюдателя изменяет поведение электрона, превращая его из волны в частицу. Так называемый эффект наблюдателя полностью потрясает то, что мы знаем о реальном мире. Вот, кстати, мультфильм, в котором все наглядно показано.

Как отмечал ученый Дин Радин, «мы заставляем электрон занимать определенную позицию. Мы сами производим результаты измерения». Теперь же полагают, что «это не мы измеряем электрон, а машина, которая стоит за наблюдением». Но машина просто дополняет наше сознание. Это все равно что сказать «это не я смотрю на того, кто переплывает озеро, это бинокль». Машина сама по себе видит не больше, чем компьютер, который может «слушать» песни, интерпретируя звуковой сигнал.

Некоторые ученые предполагают, что без сознания вселенная будет существовать неопределенно, как море квантового потенциала. Другими словами, физическая реальность не может существовать без субъективности. Без сознания нет физической материи. Это замечание известно как « », и его впервые вывел физик Джон Уилер. По сути, любая возможная вселенная, которую мы можем представить без сознательного наблюдателя, уже будет с ним. Сознание представляет собой основу бытия в таком случае и существовало, возможно, до возникновения физической вселенной. Сознание буквально создает физический мир.

Эти выводы гарантируют огромные последствия тому, как мы понимаем свою взаимосвязь с внешним миром, и какого рода отношения могут быть у нас со Вселенной. Как живые существа, мы обладаем прямым доступом ко всему сущему и фундаменту всего физически существующего. Это нам позволяет сознание. «Мы создаем реальность» означает в данном контексте то, что наши мысли создают перспективу того, что мы есть в нашем мире, но если разобраться, нам важно точное понимание этого процесса. Мы порождаем физическую вселенную своей субъективностью. Ткань вселенной - это сознание, а мы - просто рябь на море вселенной. Получается, нам повезло испытать чудо такой жизни, а Вселенная продолжает вливать в нас часть своего самосознания.

«Я считаю сознание фундаментальным. Я считаю материю производным от сознания. Мы не можем оставаться без сознания. Все, о чем мы говорим, все, что мы видим как существующее, постулирует сознание». - Макс Планк, лауреат Нобелевской премии и пионер квантовой теории.