Странный парадокс кота Шредингера обрел неизменную популярность. Что это значит для будущего квантовой физики?
В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер опубликовал довольно критический обзор из трех частей того, что он назвал «текущей ситуацией» в относительно новой теории квантовой механики. По большей части обзор Шредингера, написанный на немецком языке, сух и техничен, и не является тем, что задержит кого-либо за пределами узкого академического мира квантовой физики. Но в одном коротком абзаце, написанном с твердой щекой, он дал волю фантазии, которая 90 лет спустя продолжает находить отклик в популярной культуре. Абзац касался одноименного кота Шредингера. Как неясный аргумент о математически сложной и довольно озадачивающей теории физики укоренился в общественном сознании как необычайное исследование человеческой психики? В этом эссе рассказывается история.
Вот что писал Шредингер (в английском переводе Джона Д. Триммера):
Можно даже устроить совершенно нелепые случаи. Кота запирают в стальной камере вместе со следующим дьявольским устройством (которое должно быть защищено от прямого вмешательства со стороны кота): в счетчике Гейгера находится крошечный кусочек радиоактивного вещества, настолько малый, что , возможно, в течение часа один из [радиоактивных] атомов распадется, но также, с равной вероятностью, возможно, ни один; если это произойдет, трубка счетчика разряжается и через реле высвобождает молоток, который разбивает небольшую колбу с синильной кислотой. Если бы кто-то предоставил всю эту систему самой себе на час, можно было бы сказать, что кот все еще жив, если за это время ни один атом не распался. Первый атомный распад отравил бы его. [Квантовая волновая функция] всей системы выразила бы это, имея в ней живого и мертвого кота (простите за выражение) смешанными или размазанными в равных частях. Хотя это был всего лишь «мысленный» эксперимент, парадоксу кота Шредингера было суждено присоединиться к собаке Павлова в бестиарии странностей науки.
Чтобы понять, о чем говорит Шредингер, нам нужно немного разобраться. Природа «дьявольского устройства» Шредингера на самом деле не важна для его аргументации. Его цель — просто усилить событие атомного масштаба — распад радиоактивного атома — и довести его до более привычного масштаба живого кота, запертого в стальной коробке. Теория, описывающая объекты и события, происходящие в масштабе атомов и субатомных частиц, таких как электроны, — это квантовая механика. Но в этой теории атомы и субатомные частицы описываются не как крошечные, самодостаточные объекты, движущиеся в пространстве. Вместо этого они описываются в терминах квантовых волновых функций , которые улавливают совершенно странный аспект их наблюдаемого поведения. При определенных обстоятельствах эти частицы также могут вести себя как волны .
Эти контрастные поведения не могли бы быть более резкими или более, казалось бы, несовместимыми. Частицы имеют массу. По своей природе они «здесь»: они локализованы в пространстве и остаются локализованными, перемещаясь отсюда туда. Бросьте много частиц в небольшое пространство, и, как шарики, они столкнутся, отскакивая друг от друга в разных направлениях. Волны, с другой стороны, распространяются в пространстве — они «нелокальны». Пропустите их через узкую щель, и, как волны в море, проходящие через щель в стене гавани, они распространятся дальше. Физики называют это дифракцией. Столкните кучу разных волн вместе, и они сольются, образуя то, что физики называют суперпозицией . Пики и впадины всех разных волн складываются. Там, где пик встречается с пиком, получается больший пик. Там, где впадина встречается с впадиной, получается более глубокая впадина. Там, где пик встречается с впадиной, они оба уменьшаются, и если они окажутся одинаковой высоты и глубины, они полностью погасят друг друга. Физики называют это интерференцией.
К 1935 году математическая формулировка квантовой механики была относительно зрелой и признана большинством физиков как полная. Но теория не говорит, где должна остановиться вся эта квантовая странность. Применительно к радиоактивному атому квантовая теория утверждает, что через час волновая функция атома представляется как равное количество — суперпозиция — распавшихся и нераспавшихся атомов.
Итак, кот жив или мертв? Мы не можем знать, пока не поднимем крышку коробки и не посмотрим
Мы могли бы остановиться на этом, но мы знаем, что взаимодействие между атомом и дьявольским устройством также должно описываться квантовой механикой, по крайней мере на ранних стадиях. Если мы решим воспринимать теорию буквально, то расширение ее уравнений для включения всего устройства означает, что волновая функция эволюционирует в суперпозицию распавшегося атома и сработавшего устройства, а также нераспавшегося атома и не сработавшего устройства. В своем обзоре Шредингер ввел термин «запутывание» для описания этой ситуации. Радиоактивный атом становится запутанным с устройством. Если мы логически расширим эту запутанность за пределы устройства, включив в нее кота, то, как объяснил Шредингер, мы придем к волновой функции, которая является суперпозицией распавшегося атома, сработавшего устройства и мертвого кота, а также нераспавшегося атома, не сработавшего устройства и живого кота. Живой кот и мертвый кот, таким образом, кажутся «смешанными или размазанными в равных частях».
Итак, кот мертв или жив? У нас нет способа узнать, пока мы не поднимем крышку коробки и не посмотрим. Если мы придерживаемся квантовой теории, распространенной на кота, то, предположительно, в тот момент, когда мы поднимаем крышку, волновая функция «коллапсирует», и мы обнаруживаем, что кот жив или мертв. Но здесь есть небольшая проблема, которая имеет огромные последствия. Нигде в математической формулировке квантовой механики вы не найдете уравнения, описывающего этот коллапс. Нам остается только предположить, что это происходит.
Хорошо, но можем ли мы хотя бы предсказать судьбу кота до того, как поднимем крышку? Квантовая теория говорит: нет, не можем. Согласно принятой интерпретации, суперпозиция двух возможностей отражает относительные вероятности получения одного или другого. Но эти вероятности переходят в фактические результаты только тогда, когда предполагается, что волновая функция схлопнулась, когда суперпозиция одной возможности и другой трансформируется в одну или другую действительность. Кажется, что акт смотрения буквально убивает кота или нет.
Это большое дело. Это не то же самое, что подбрасывать «честную» монету и получать орел или решку с равной вероятностью. Обычно мы не выбираем описание монеты как находящейся в суперпозиции орла и решки, когда она вращается в воздухе, хотя в принципе ничто не мешает нам сделать это. Мы не делаем этого, потому что, конечно, мы знаем, что обе стороны монеты продолжают существовать неизменными, когда мы подбрасываем ее в воздух, и когда она вращается, когда падает на землю. Но квантовая механика работает не так. Сейчас существует множество квантовых экспериментов, которые демонстрируют, что предположение о том, что объекты, такие как атомы или электроны, существуют в каком-то состоянии до того, как их наблюдают, может дать предсказания, которые противоречат как квантовой теории, так и результатам экспериментов. Мы просто не можем обойтись без суперпозиции или вероятностей. Нам нужна странность.
Хотя большинство физиков, по-видимому, приняли аргумент о том, что квантовая механика дает полную теорию отдельных квантовых объектов и событий, были и некоторые заметные несогласные. Альберт Эйнштейн никогда не был доволен выводами квантовой теории о законе причины и следствия и обращением к вероятностям, заявив , что Бог «не играет в кости». Ранее в 1935 году Эйнштейн и его коллеги из Принстона Борис Подольский и Натан Розен опубликовали знаменательную статью , в которой утверждали, что квантовую механику нельзя считать полной теорией. Чего-то глубокого не хватало. Хотя они расходились во мнениях по поводу деталей, Эйнштейн и Шредингер разделяли общую причину, и их переписка летом 1935 года вдохновила Шредингера на разработку его парадокса о коте.
Шредингер понимал, что ни при каких обстоятельствах его кот не может считаться одновременно живым и мертвым. С его точки зрения, его парадокс выявил очевидную абсурдность квантовой теории, не предполагая, что «квантовая теория утверждает», что суперпозиция, состоящая из живого и мертвого кота, является реальной возможностью, а предполагая, что то, чего не утверждает квантовая теория, может привести к логическому абсурду. Эйнштейн ответил: «… ваш кот показывает, что мы полностью согласны». И на этом вопрос остановился на некоторое время. Парадокс кота был ограничен одним абзацем в длинной обзорной статье, и несогласие Шредингера не произвело большого впечатления на большинство физиков, включая тех, кто проводил время, размышляя о смысле квантовой теории. Оно сохранилось в переписке между Эйнштейном и Шредингером до начала 1950-х годов и вновь всплыло в 1957 году во время конференции физиков и философов, состоявшейся в Бристоле, Англия.
Дьявольский механизм теперь включал в себя поражение кошки электрическим током (или нет)
В обсуждении, представленном в материалах конференции, американский физик Дэвид Бом воскресил кота Шредингера. К этому времени парадокс развился и был основан на прохождении (или непрохождении) одного фотона («частицы» света) через полупрозрачное (или «одностороннее») зеркало. Как и радиоактивный атом, фотон имеет 50/50 шансов пройти через зеркало или отразиться от него. Прохождение фотона запускает дьявольский механизм, в котором кота убивают из пистолета. Парадокс вновь возник в 1965 году в эссе американского философа Хилари Патнэма под названием «Философский взгляд на квантовую механику». Фотон и полупосеребренное зеркало остались, но дьявольский механизм теперь включал в себя поражение кошки электрическим током (или нет). Патнэм пришел к выводу, что: « сегодня не существует удовлетворительной интерпретации квантовой механики». То, что произошло дальше, довольно увлекательно. Исследуя специальную теорию относительности Эйнштейна для книги, которую она писала где-то в 1972 году, американская писательница-фантаст Урсула Ле Гуин наткнулась на ссылку на кота Шредингера. Как выразился философ Роберт Криз в статье 2024 года, она была мгновенно «очарована подразумеваемой неопределенностью и оценила фантастическую природу образа Шредингера». Мы не можем быть уверены в точных событиях и времени, поскольку Ле Гуин очень много читала, но не делала систематических заметок, но это «лучшее предположение» Джули Филлипс, которая занята написанием авторизованной биографии Ле Гуин , которая будет опубликована в апреле 2026 года. Получив от своего объекта просьбу «спасти меня от стервятников», Филлипс провела много подробных интервью с Ле Гуин до того, как автор умерла в 2018 году. Они договорились, что биография будет опубликована посмертно.
В своем рассказе «Кот Шредингера» (1974) Ле Гуин представляет версию парадокса Бома, связанную с фотоном, полупрозрачным зеркалом и пистолетом. В диалоге между безымянным рассказчиком и собакой по кличке Ровер Ле Гуин пишет:«… Мы не можем предсказать поведение фотона, и, таким образом, как только он повел себя, мы не можем предсказать состояние системы, которую он определил. Мы не можем предсказать его! Бог играет в кости с миром! Так что это прекрасно демонстрирует, что если вы хотите определенности, любой определенности, вы должны создать ее сами!»
‘Как?’
«Конечно, подняв крышку коробки», — сказал Ровер…
Шлюзы открылись. С этого момента кот Шредингера регулярно появляется в художественной литературе. Не только в научной фантастике, но и в широком спектре рассказов и романов, фильмов, пьес, телешоу, поэм и музыки. Развитие физики в начале 1980-х годов одновременно вызвало бурный интерес к популярной научно-популярной литературе, такой как « В поисках кота Шредингера» Джона Гриббина (1984). Культурная привлекательность кошки заключается в вопросах «что если», которые она провоцирует. Она побуждает нас задуматься о последствиях нашего человеческого выбора. А что, если мы решим не смотреть? Если мы не смотрим, можно ли вообще сказать, что кошка существует? Наше решение поднять крышку очень похоже на столкновение с развилкой на дороге. Мы выбираем путь. Как и американский поэт Роберт Фрост, мы можем выбрать менее популярный путь. Но что, если бы мы пошли по другому пути? Фильм « Опускающиеся двери » (1998) представляет две параллельные истории: одна разворачивается, когда Хелен Куилли (Гвинет Пэлтроу) опаздывает на свой поезд в лондонском метро, а вторая разворачивается, когда ей удается сесть в него. Жизнь Куилли складывается совершенно по-разному, в зависимости от того, пробьется ли она через раздвижные двери и сядет ли в поезд. То, что такой тривиальный «момент раздвижных дверей» может кардинально изменить ход нашего будущего, глубоко тревожит.
И это еще не все. Как заметила сама Ле Гуин в своем рассказе, в самом акте поднятия крышки, похоже, нет ничего особенного, а квантовая механика умалчивает о том, где в цепочке событий заканчивается странность. Она написала: «Но почему открытие коробки и взгляд сводят систему к одной вероятности: либо живая кошка, либо мертвая? Почему мы не включаемся в систему, когда поднимаем крышку коробки?» Можем ли мы быть такими же, как кошка, но запертыми в гораздо большей коробке, которую мы называем реальностью? Если да, то кто смотрит? И что произойдет, когда они поднимут крышку? Если процесс взгляда внутрь коробки не разрушает волновую функцию системы, то, по логике вещей, наблюдатель должен в свою очередь оказаться втянутым в суперпозицию. «[В]от мы бы, — писала Ле Гуин , — смотрели на живую кошку и… смотрели бы на мертвую кошку». Если вы тот, кто смотрит, то теперь будет другая суперпозиция, включающая две ваши версии.
В этот момент мы можем поддаться искушению прийти к совершенно иной интерпретации квантовой механики. Если математика не учитывает коллапс волновой функции, зачем вообще предполагать, что он происходит? Почему бы не предположить, что, как предположила Ле Гуин , вы становитесь запутанными с системой, когда поднимаете крышку? Поскольку никто никогда не испытывал жуткого ощущения сосуществования с несколькими версиями себя, все из которых являются свидетелями разных событий, мы могли бы далее предположить, что акт поднятия крышки «раскалывает» Вселенную на две параллельные версии. В одной вселенной одна версия вас наблюдала мертвую кошку. В другой вселенной другая версия вас наблюдала живую кошку. Нет никакого жуткого ощущения, потому что эти разные вселенные разошлись, и вы совершенно не осознаете другие параллельные версии себя. Это так называемая интерпретация « Множества миров », предложенная в 1957 году американским физиком Хью Эвереттом III. Она предлагает нам мультивселенную параллельных возможностей. Мультивселенная допускает гораздо более широкий и сложный диапазон «что если» за пределами бинарных вопросов типа жив/мертв, относящихся к моменту раздвижных дверей. Что, если последствия вашего выбора накапливаются со временем и вступают в сговор, чтобы изменить не только ваши будущие обстоятельства, но и всю вашу личность? В мультивселенной возможностей, есть ли множество очень разных версий вас всех, ведущих себя очень по-разному и живущих разными жизнями? Возможно, в одной из этих вселенных вы гуманны и добры, но бездомны, вынуждены просить милостыню на углах улиц. Но в другой вы бесчувственный технологический миллиардер, угрожающий подорвать принятый мировой порядок. Такие вопросы с большим успехом исследуются в романе Блейка Крауча « Темная материя» (2016), который был адаптирован для телевидения и транслировался в прошлом году на Apple TV+.
Кот Шредингера популярной культуры питает нашу врожденную человеческую тягу к тайне и дает лицензию на смелые полеты воображения, которые помогают нам исследовать то, что делает нас «нами». И, что примечательно, он утверждает, что делает все это во имя науки, потому что именно так «говорит квантовая теория». Кто бы мог подумать, что физика может быть такой забавной?
Это не значит, что кот буквально жив и мертв одновременно.
Увы, большинство физиков придерживаются более трезвой точки зрения. В 1920-х и 30-х годах основатели квантовой механики долго мучились этими проблемами интерпретации и пришли к решениям, которые многие сочли удовлетворительными, хотя некоторые (например, Эйнштейн и Шредингер) посчитали их глубоко неудовлетворительными. Что на самом деле представляет собой суперпозиция и, шире, квантовая волновая функция? Одна точка зрения, наиболее тесно связанная с датским физиком Нильсом Бором и известная как « Копенгагенская интерпретация », заключается в том, что это всего лишь расчетные устройства, которые не следует понимать буквально. Они не реальны: они чисто символичны. Суперпозиция просто представляет то, что мы знаем о системе «кот в коробке», и мы используем уравнения квантовой механики для расчета вероятностей различных ожидаемых результатов. Итак, когда мы говорим о том, что кот находится в суперпозиции жизни и смерти, это не означает, что кот буквально жив и мертв одновременно. По правде говоря, мы не знаем, каково состояние кота на самом деле, и как описать его реальное физическое положение, потому что мы не можем сказать наверняка, когда распадется радиоактивный атом, или будет ли фотон передан или отражен. Но если мы представим эту систему как суперпозицию, мы знаем, что сделаем предсказания, которые окажутся согласующимися с экспериментом. Большинство физиков, по крайней мере те, кто может потрудиться подумать об этих вещах, придерживаются этой точки зрения. Возможно, поэтому их нечасто приглашают на вечеринки . Из этого следует, что неважно, где именно в цепочке событий мы заявляем, что странность заканчивается. Неважно, где мы размещаем «разрез Гейзенберга», названный в честь немецкого физика Вернера Гейзенберга (известного своим принципом неопределенности), точку, в которой мы прекращаем использовать квантовую механику и переходим к более привычным теориям физики, опубликованным более 300 лет назад Исааком Ньютоном. Это точка, в которой мы предполагаем, что волновая функция коллапсирует, и мы заменяем и квантовой суперпозиции на или фактических результатов.
Гейзенберг был членом группы Бора, хотя в некоторых своих высказываниях он существенно расходился с философией Бора. Что касается Гейзенберга, то неважно, где мы выбираем место разреза. Но кот — это не радиоактивный атом и не фотон. Он явно не принадлежит к квантовой сфере, и уравнения квантовой механики, даже интерпретируемые символически, не должны к нему применяться. Бор предпочел поместить разрез в точку «необратимого акта усиления», связанного с ранними стадиями дьявольского устройства. То, что мы не можем точно сказать, где или когда в этом процессе заканчивается странность, не отменяет вывода о том, что это происходит задолго до того, как мы добираемся до кота.
Шредингер заканчивает свой обзор 1935 года следующим наблюдением:
Предусмотренная для этого простая процедура… в конце концов, возможно, является всего лишь удобным расчетным трюком, но сегодня, как мы видели, он приобрел беспрецедентное влияние на наше основное отношение к природе.
Мы стоим перед выбором. Мы можем признать, что квантовая механика — со всей ее странностью — это чисто символическая структура для предсказания вероятностных результатов наших экспериментов. Это действительно вычислительный трюк, который не следует понимать буквально, который дает нам некоторую возможность получить доступ к иначе непостижимому атомному и субатомному миру. Или мы можем признать (вместе с Эйнштейном и Шредингером), что квантовая теория по меньшей мере неполна и глубоко неудовлетворительна. Теория, способная постичь атомный и субатомный мир, должна быть возможна, если только у нас есть воля искать ее и остроумие найти ее.
Это развилка. Какой путь вы выберете?
Джим Багготт — удостоенный наград британский научный писатель, проживающий в Кейптауне, Южная Африка. Он является соавтором Джона Хейлброна книги « Квантовая драма: от дебатов Бора-Эйнштейна до загадки запутанности» (2024).
Под редакцией Найджела Уорбертона