Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего - Жереми Харрис

я имею в виду, что электроны могут быть и «серыми».

Эта идея кажется какой-то неправдоподобной, а то и вовсе невероятной. Мы же никогда не видели, чтобы объект вращался сразу в обоих направлениях. Однако и математика, и эксперименты однозначно показывают, что именно это и происходит.

А как описать эту ситуацию при помощи кет-скобок? Покажем, что наш электрон делает и то и другое одновременно, поставив между двумя кет-скобками знак плюс:

Согласно квантовой механике, такие «серые» частицы, вращающиеся в обоих направлениях сразу, вездесущи.

«Но постойте! – скажете вы. – Если мир полон странных объектов, которые вращаются по часовой стрелке и против нее одновременно, почему я никогда в жизни ничего подобного не видел?»

Этот отличный вопрос и лежит в основе так называемой проблемы измерения в квантовой механике. Очень может быть, что это наиглавнейший вопрос в современной физике.

Ответ на него выведет нас прямиком на множественные миры и квантовое сознание.

Как рассказывать истории при помощи кет-скобок

Прежде чем открывать квантово-механический ящик Пандоры, нам нужно обсудить еще кое-что: надо уделить минутку тому, как при помощи кет-скобок рассказывать истории.

Предположим, у вас есть электрон в закрытой коробке. И пусть рядом с электроном в этой коробке находится особый датчик, который щелкнет, если электрон вертится по часовой стрелке, и не издаст звука, если электрон вертится против часовой стрелки.

Если этот датчик вращения щелкнет, он пошлет сигнал пистолету (который тоже находится в коробке), пистолет выстрелит и убьет кота (который тоже сидит в коробке).

Зарисуем этот сценарий при помощи кет-скобок. Если наш электрон вращается по часовой стрелке, вот как все будет выглядеть, пока датчик еще не включен:

Теперь мы включаем датчик. Поскольку электрон вращается по часовой стрелке, датчик срабатывает. Отметим это галочкой (3):

Датчик посылает сигнал пистолету, тот через долю секунды стреляет, и в этот момент наша коробка выглядит вот так:

Пуля свистит в воздухе и миг спустя настигает кота, который, увы, становится жертвой нашего эксперимента:

По сравнению с этим случай, когда электрон вращается в другом направлении, очень прост. Поскольку электрон вращается против часовой стрелки, он не запустит датчик – и ничего не произойдет:

Оба этих сюжета – тот, где кот остается в живых, и тот, где он погибает, – пока что выглядят совершенно логично.

Но что будет, если наш электрон вертится не в том или ином направлении, а сразу в обоих?

Ответ звучит так: зомбокот.

Квантовые зомбокоты

Расскажем следующую историю. На сей раз электрон находится в состоянии, когда он вращается сразу и по часовой стрелке, и против.

Вот как это будет выглядеть, если нарисовать все с помощью кет-скобок:

А теперь вопрос на миллион долларов: что будет, когда мы включим датчик вращения электрона? Щелкнет он или нет?

Согласно квантовой механике, и то и другое. Отчасти он зарегистрирует вращение по часовой стрелке, отчасти – против. Словно бы наш электрон сделал из одного датчика два.

И снова рисунок с кет-скобками:

Обратите внимание, что в серых скобках у нас две разные мини-истории: в одной электрон вращается по часовой стрелке и датчик щелкает, а в другой электрон вращается против часовой стрелки и датчик никак не реагирует.

Теперь подождем, пока сигнал от датчика дойдет до пистолета. Выстрелит ли пистолет, или пуля останется в магазине?

Ответ такой же, как и для датчика: и то и другое. Пистолет расщепляется на две копии – одна выстрелит, другая нет:

И это подводит нас к вопросу о коте.

Должно быть, вы уже догадались, какая участь его ждет. Кот, как и датчик вращения с пистолетом, расщепится на две версии: одна погибнет от пули, а вторая останется в живых и продолжит вершить великие кошачьи дела.

Вот итоговое состояние всего в нашей коробке:

Заметьте: теперь мы можем рассказать о содержимом коробки две совершенно независимые истории. В одной электрон вращался по часовой стрелке, пистолет выстрелил и кот погиб, в другой вращение было против часовой стрелки, пистолет не выстрелил и кот остался в живых.

И то и другое правда. Ни та ни другая версия не правдивее другой. Они сосуществуют внутри коробки.

Электрон вращается по часовой стрелке или против? И то и другое.

Щелкал датчик или нет? И то и другое.

Жив кот или мертв? И то и другое. (Хештег «зомбокот».)

Вниз по кроличьей норе

Ясное дело, к моему рассказу вы отнеслись скептически. Вы же никогда не видели кота, который наполовину мертв, наполовину жив.

Возможно, вам даже хочется сказать: «Очевидно, что квантовая механика не работает, ведь я никогда не видел зомбокотов, все это полная ерунда».

Но вот в чем беда: квантовая механика дает нам лучшие предсказания, так что с ней не может сравниться никакая другая физическая теория устройства вселенной за всю историю человечества – то есть буквально никакая. Поэтому нельзя нам выплескивать ребенка вместе с водой.

Нам волей-неволей придется как-то объяснить, почему квантовая механика учит, что зомбокоты бывают, хотя никто их ни разу не видел.

В двадцатые годы ХХ века датский физик-сескипедалофил[2] Нильс Бор предпринял первую полноценную попытку объяснить, как такое может быть.

«Сам я зомбокотов никогда не видел, – подумал Нильс Бор, вероятно, по-датски. – Если зомбокот существует ровно до того момента, как я на него взгляну, значит, либо во мне, либо в оборудовании, которое я использую для наблюдения, есть что-то особенное, что вынуждает кота избрать какое-то одно состояние (либо жив, либо мертв), когда я на него смотрю. Похоже, акт наблюдения заставляет зомбокота „коллапсировать“ – кот вынужден выйти из гибридного состояния, когда он одновременно и жив и мертв, и стать либо только живым, либо только мертвым, но не то и другое вместе. Коллапс – вот ответ, скажу я вам!»

Вот что предложил Бор:

У идеи Бора о коллапсе был один недостаток: он так четко и не объяснил, что именно считается «наблюдением» и кого или что можно считать «наблюдателем». Он намекал, что «большие» объекты вроде микроскопов и камер, скорее всего, отвечают за коллапс систем поменьше, но детали как-то замылил.

Наверняка Бор знал только одно: коллапс должен происходить достаточно рано, чтобы «крупные» предметы вроде футбольных мячей не существовали в нескольких местах одновременно и не вращались в нескольких направлениях сразу, поскольку такого мы в окружающем мире не встречаем.

Для слабонервных физиков, боявшихся утратить опору на реальность, коей они наслаждались до начала ХХ века, даже сшитое на живую нитку понятие коллапса, предложенное Бором, было лучше, чем ничего. Оно помогло временно унять тревогу и вернуться к работе, не страшась, что тебе вот-вот померещится зомбокот. По крайней мере, Бор на это надеялся.

Однако идея коллапса, которую живописал Бор, понравилась далеко не всем.

Крупнейшим противником Бора оказался не кто-нибудь, а ходячая реклама кондиционера для волос –