Книга: Теория Большого взрыва. Наука в сериале
Назад: 29 Синусный метод
Дальше: 31 Очень долго и счастливо
30
Четыре с половиной жизни
ШЕЛДОН: КАК И КОТ ШРЕДИНГЕРА, ВАШИ ВОЗМОЖНЫЕ ОТНОШЕНИЯ НА ДАННЫЙ МОМЕНТ МОГУТ БЫТЬ ОДНОВРЕМЕННО И ХОРОШИМИ, И ПЛОХИМИ.И ТОЛЬКО ОТКРЫВ КОРОБКУ, ТЫ СМОЖЕШЬ ПОНЯТЬ, КАКИЕ ОНИ НА САМОМ ДЕЛЕ.«МАНДАРИНОВЫЙ ФАКТОР» (СЕЗОН 1, ЭПИЗОД 17)
Это не первый раз, когда мы слышим о коте Шредингера от Шелдона, но его объяснения никогда не заходят дальше того, что он одновременно жив и мертв. Явно тут можно объяснить и получше.
Кот Шредингера – это не домашний любимец Шредингера; это гипотетический эксперимент. И это не из тех экспериментов, который кто-нибудь захочет воплотить в жизнь; в этом нет смысла. Это мысленный эксперимент, использованный для того, чтобы исследовать явный парадокс природы реальности. А именно если событие не производит никакого эффекта, бесполезно говорить о том, что оно произошло. Бесполезно говорить о том, что оно не произошло. Это как то дерево, которое упало в лесу, а никто этого не слышал, но более заумно.
Мысленный эксперимент – эксперимент, о котором вы только размышляете.
Если вы подбросите монету много раз, законы вероятности позаботятся о том, чтобы она приземлилась орлом где-то половину раз. Если вы подбросите ее один раз, вы не знаете, как она приземлится, но, поскольку подброшенная монета находится под влиянием физических законов, которые мы хорошо понимаем, вы могли бы (в принципе) хорошо продумать начальную позицию – как вы держите монету, какая сторона смотрит вверх, как высоко вы ее подбросите, с какой скоростью она будет крутиться, участие ветра и так далее – сделайте необходимые подсчеты, и вы сможете сказать, как она приземлится.
Измерение определенных физических феноменов – определение позиции электрона в атоме или ожидание, когда атомное ядро вдруг радиактивно распадется, – похожий процесс. Как и с подбрасыванием монеты, общее распределение результатов многих наблюдений следует определенной модели вероятности. Но в отличие от монеты нет никакого способа предсказания результата для многих индивидуальных измерений, и не важно, сколько информации вы предварительно соберете; правила, управляющие процессами такого рода, просто от нас скрыты. Мы получаем результат каждый раз при измерении, но мы никогда не знаем, каким он будет. Электрон появляется там, где ему «хочется». Атом распадается, когда ему «заблагорассудится». Если наука – это поиск причин (см. главу 13), каждый из этих примеров – это эффект без известных причин.
Все, что мы можем сделать, чтобы объяснить эту базовую непредсказуемость, это думать о каждой частице как суперпозиции одного или более состояний (см. главу 25). Несложно создать суперпозицию состояния частицы (или системы частиц) – ее трудно поддерживать. Каждый раз, когда наблюдают за объектом (что примерно означает «позволяют ему взаимодействовать с чем-нибудь таким образом, что все кроме одного состояния становятся невозможными для наблюдения»), происходит коллапс суперпозиции до одного состояния: наблюдаемого.
Объект, который ни с чем не взаимодействует, не находится в неизвестном состоянии; у него просто нет состояния. Каждое состояние суперпозиции обладает вероятностью того, что мы станем за ним наблюдать в нашем следующем взаимодействии, но ни одно из них не является главным состоянием объекта. Это как игра «Музыкальные стулья»: пока играет музыка, ни один из игроков не выбыл.
Коллапс – увеличение (на 100%) вероятности в наблюдении за одним из состояний суперпозиции. Это происходит в тот момент, когда наблюдение (взаимодействие) начинает происходить: одно состояние наблюдается, и вероятность наблюдения любого другого состояния суперпозиции сводится к нулю. Коллапс обычно происходит только в том случае, если происходит взаимодействие. Когда объект больше ни с чем не взаимодействует в своей среде, он свободен вернуться к суперпозиции множественных состояний.Множественные наблюдения одного и того же объекта не обязательно сводятся к коллапсу, к одному состоянию. То, что раньше наблюдалось как карандаш, позже вполне могло бы наблюдаться как Миллард Филлмор – хотя вероятность этого сравнительно небольшая.
Суперпозиции – очень странные существа. Они смещаются и меняются, чтобы отразить параметры и условия для следующего наблюдения. Когда происходит наблюдение, видно только одно состояние. Когда нет наблюдения, объект снова возвращается в суперпозицию, и каждое его состояние может быть вероятным описанием того, что будет наблюдаться при следующем взаимодействии. Эта способность соответствовать множественным описаниям одновременно совершенно не похожа ни на что, к чему мы привыкли в нашей повседневной жизни. Если бы это можно было раздуть до человеческих размеров, для нас оно бы стало сводящим с ума, ошарашивающим и потрясающим.
Представьте, что у вас есть прибор для определения состояния частицы: возможно, детектор, который отталкивает фотон от атома водорода и распечатывает диаграмму, показывающую, где показался его электрон. Каждый раз, когда прибор делает измерения, это заставляет электрон «выбрать» состояние, которое передается вам. В результате у вас появляется информация, которой у вас раньше не было, и ваше собственное состояние меняется. История электрона теперь стала частью вашей истории. Коллапс суперпозиции в буквальном смысле увеличился в более чем миллион миллиардов триллион раз.
Радиоактивный распад – процесс, при котором ядро атома меняется спонтанно (распадается), превращаясь в новое ядро, выделяя в процессе материю и/или радиацию.Хотя любое ядро обладает вероятностью распада в определенный период, определенный момент, когда это происходит с каждым определенным ядром, спонтанен и полностью непредсказуем.
Забавно, но неужели это все? Верно, что в те моменты, когда за электроном не наблюдают, есть суперпозиция, но для вас это не имеет никакого значения, потому что ее состояния для вас практически идентичны. Электрон может оказаться вот тут (удивил), или там (удивил), или вот тут внизу (удивил). Более впечатляющим экспериментом было бы использование объекта, размеры которого позволяют его увидеть, что-то, что можно поместить в два абсолютно разных состояния. Что если бы вы могли загнать этот предмет в суперпозицию этих состояний, отрезать его от всех возможных взаимодействий, чтобы сохранить его в суперпозиции и хорошенько подождать, прежде чем наконец понаблюдать за ним и заставить суперпозицию прийти к коллапсу?
Это и была загадка, над которой ломал голову австрийский ученый Эрвин Шредингер в 1935 году, и сценарий, к которому он пришел, использовал кое-что более драматичное, чем электроны и диаграммы. Событием на уровне элементарных частиц, которое он выбрал, стал радиоактивный распад, усилителем стал кот, а вместо принтеров и диаграмм он использовал жизнь и смерть.
В среднем можно ожидать, что некоторое количество атомных ядер в куске радиоактивного материала распадется за определенный период времени. Аккуратно выбрав кусок правильного материала правильного размера, вы могли бы гарантировать, что существует шанс пятьдесят на пятьдесят, что в течение часа хотя бы один из его атомов распадется. Шредингер признал, что возможно представить «довольно нелепые случаи» (ganz burleske Fälle), и он привел пример гипотетического аппарата, который выпускает пар цианида, если разлагается хотя бы один из атомов этого куска материала. Эта адская машина помещается в стальную камеру или коробку, которая запечатана таким образом, что из нее не поступает абсолютно никакой информации о том, что происходит внутри коробки. Пока коробка запечатана, мы остаемся в полном неведении о судьбе котика. Его жизнь находится в руках элементарных частиц .
Теплый котик/холодный котик, мурчишь ты или нет?
Тексты, обсуждающие этот кажущийся парадокс, имеют тенденцию рассматривать внутренность этой коробки как своего рода двойное представление: живой кот и мертвый кот, оба немного прозрачные и не осознающие существование второго. Это может запутать. Там не два кота, а один по-прежнему с девятью жизнями и он же с количеством жизней, равном нулю. Там нет какого-то усредненного полуживого кота с четырьмя с половиной жизнями. Есть только суперпозиция состояний, каждое с определенной вероятностью для наблюдателя. Каждое из состояний, вероятнее всего, содержит по одному коту: в одном он расположен вертикально, в другом – горизонтально.
Через час мы намереваемся открыть эту коробку и просветиться. Если мы найдем мертвого кота, мы узнаем, что один из атомов распался. Если мы найдем живого (и очень напуганного) кота, мы узнаем, что распада не произошло. Но до тех пор остается один вопрос: Что внутри коробки?
Ответ на этот вопрос: Ответа нет.
Поскольку то, что находится в коробке, не имеет никакого воздействия ни на что, что может оказать воздействие на нас, у нас нет основания для объявления без проверки, что кот либо жив, либо мертв. (На самом деле, оба этих состояния – суперпозиции многих других состояний. Состояние «мертвый кот», например, это суперпозиция состояний «кот, умерший минуту назад», «кот, умерший две минуты назад» и так далее, тогда как «живой кот» включает в себя состояния «спящий кот», «мяукающий кот» и многие другие . Любое из них может оказаться описанием того, что внутри коробки.)
Вопрос не в том, можем ли мы заглянуть внутрь, если бы захотели, или быть более внимательными, или, может быть, мы пропустили какие-то важные доказательства. (Вы знаете, что Луна всегда есть, даже если вы на нее не смотрите, – вы видите воздействие, которое она оказывает на другие вещи.) Пока нет какого-нибудь физического процесса, который поможет нам различить два состояния «живой кот» и «мертвый кот» (либо в равной степени «не было распада атома» или «был распад атома»), внутреннее содержание коробки находится в наших глазах в суперпозиции двух состояний.
Для большинства людей это является трудным для понимания. Наш каждодневный опыт дает нам чувство, что все всегда в каком-то определенном состоянии. Если вы одеваетесь в темноте (как Леонард это, похоже, делает), вы, возможно, не знаете, какие цвета вы надеваете, но Вселенная уж точно знает. Ваша синяя рубашка была в одном месте, ваша красная – в другом, и, когда вы выбрали одну из них, вы не выбрали другую. Свет решит этот вопрос для вас, но Вселенная уже знала в тот момент, когда вы потянулись за рубашкой.
Таким же образом, это нормально – настаивать на том, что кот, который находится внутри, точно или есть, или нет, и только временное незнание мешает нам выбрать один из ответов в качестве правильного. Но не торопись, Пандора: пока коробка остается закрытой, просто нет никакого «есть». Нет там живого кота, нет там мертвого кота, есть только возможности живой кот/мертвый кот . Что бы ни было внутри, будучи полностью отрезанным от всего, с чем вы связаны, не является ни правильным, ни неправильным, с таким же успехом кот мог бы быть канарейкой. И поэтому акт открытия коробки не просто раскрывает ответ – он его создает.
В своей ободряющей речи к Пенни Шелдон правильно называет то, что находится в коробке, «потенциальными отношениями». За ними еще никто не наблюдал, поэтому о них нельзя говорить как о хороших или о плохих. Тем не менее он разбавляет свою аналогию, говоря, что, только открыв коробку, Пенни сможет «узнать», что внутри. Было бы правильнее сказать, что вообще нет никаких отношений, пока она сама не заставит их существовать и не согласится испытать, хорошие они или нет. Может быть, он знает, что ей не нужно все это слушать. Личные отношения – неопрятные, сложные и запутанные (особенно у Пенни – каким простым теперь кажется этот вероятный кот!), и она в ужасе. Но это не повод, чтобы давать ей неправильную информацию об основах квантовой физики.
Eine kleine Katzephysik
Мысленный эксперимент Шредингера, безусловно, обладает немалыми яркими элементами. К сожалению, некоторые его выборы в дизайне запутали уже запутанный вопрос. Во-первых, нет никакого зафиксированного времени, в которое произойдет изменение состояния: атом может распасться в любое время в течение часа. Во-вторых, один сценарий не производит никаких заметных перемен в системе, тогда как другой предлагает горестную кончину. Более того, нет никакой обоснованной необходимости иметь шанс пятьдесят на пятьдесят, что атом распадется; скорее всего Шредингеру казалось, что такой исход более сбалансирован (или более азартный).
И почему, ну почему это должен быть именно кот?
Без сомнения, есть способы модифицировать исходные данные, чтобы: любой радиактивный распад был ограничен до очень маленького временного окошка; два результата сильно отличались зрительно от исходного состояния и не так ужасно отличались друг от друга; их вероятности были очень односторонними; повторение эксперимента было легким и безболезненным; и эксперимент не включал в себя харизматичную макрофауну.
Давайте предположим, что мы открыли кошачью коробку и увидели, что там внутри не очень привлекательное зрелище. Для нас естественно удивиться: а что там было всего несколько минут назад? Это тягостное зрелище перед нашим взором не могло просто возникнуть в этот самый момент. Опыт нам подсказывает (а наши носы подтверждают), что то, что мы видим, пробыло там уже какое-то время. Но это неправильная интерпретация. Не имеет смысла говорить о том, «что там было» до того, как снятие завесы тайны привело к коллапсу суперпозиции. Того, «что там было», просто не было.
Как же насчет кота: разве кот не может быть наблюдателем? Явно же, что кот в курсе того, что с ним происходит? Проблема опять же в том, что, с нашей точки зрения, нет никакого кота в коробке, только потенциальный кот: суперпозиция состояний, каждая из которых содержит кота в определенной степени здравия. Но состояние, содержащее кота, это не кот. И оценка Шелдона, что «до момента открытия коробки, кот может быть одновременно и жив, и мертв», смущает нас, фокусируясь на коте. Дело не в том, что он и жив, и мертв; и не в том, что он ни жив и ни мертв; дело в том, что у нас не он, а они – два наложенных друг на друга состояния.
Одна из причин, по которой кот Шредингера является только мысленным экспериментом, в том, очень сложно отрезать такой аппарат от всего внешнего мира. В нем не должно быть абсолютно никакого способа различить состояния мертвый кот/живой кот до открытия коробки: ни звука, ни запаха, ни смещения в центре тяжести, ни передачи даже самой крошечной вибрации или частицы тепла, проходящих сквозь стены коробки.
Но еще одна причина, по которой никто не пытался провести эксперимент, это то, что это было бы бесполезно. (Котоненавистники могут не согласиться.) Пока коробка остается закрытой, в ней будет два наложенных друг на друга состояния, но вы не сможете наблюдать ни одно из них. Не будет никакого зрительного доказательства существования этой суперпозиции. В момент, когда вы откроете коробку и вступите во взаимодействие с суперпозицией, она придет к коллапсу, и вы увидите либо одно состояние, либо другое. В любом случае вы не увидите ничего, что вы бы не увидели внутри обычной (неизолированной) коробки. Так какой тогда смысл?
Из вышесказанного видно, что идея безусловно далека от жизни. Исследователи строили несколько механизмов, чтобы увеличить процесс ядерных реакций до видимых размеров, включая крошечный металлический брусок, который может быть в суперпозиции состояний «вибрирует» и «не вибрирует». Но суперпозиция длится, только пока нет взаимодействия с внешней средой. В момент, когда вы заглядываете за шторку, проводя наблюдения какого-либо вида, вы не видите брусок, который одновременно вибрирует и не вибрирует; вы видите брусок, который вибрирует или нет.
Эй, у меня когда-то был точно такой жеСуперпозиции объясняют любой физический процесс, чей результат абсолютно невозможно предсказать, но, поскольку они неотличимы для наблюдателя от обычных состояний, очень легко сомневаться в их существовании. Комик Стивен Райт говорит о неотличимости в одном из своих монологов, где он уверяет, что все в его квартире было украдено и заменено на точные копии.Если бы этот явно нетипичный сценарий произошел в вашей жизни (нетипичный не значит невозможный – просто немного очень притянутый за уши; см. главу 13), как вы докажете, что это произошло? Или не произошло?
Часто возникает вопрос: «Допустим, атом распался и кот сдох. Пока коробка закрыта, состояние ”живой кот“ по-прежнему находится внутри. О чем же этот бедный кот думает?!» (Без сомнения, что-то вроде «Пожалуйста, не открывайте коробку, пожалуйста, не открывайте коробку, пожалуйста, не открывайте коробку!»)
Но это было бы неправильной трактовкой природы суперпозиций. Такая коробка не содержит одно состояние живого кота и одного настоящего мертвого кота. С точки зрения кота (если бы она была), есть только мертвый кот. С нашей точки зрения, нет ни живого, ни мертвого кота, а только суперпозиция состояний, в каждом из которых есть по коту, который не подозревает об остальных котах в других состояниях. Поэтому более честным ответом, хоть он и будет невозмутим, как дзен-буддист, будет: «Какой такой кот?»
эврика! @ caltech.edu
Ни один кот не пострадал в ходе этого эксперимента
Окружающая среда – это худший враг суперпозиции. В тот момент, когда происходит взаимодействие, которое не могло бы произойти в одном или нескольких состояниях, вероятность наблюдения какого-либо из этих состояний сводится к нулю. По этой причине суперпозиция может поддерживаться строго регламентированным воздействием, таким как суперохлаждение индивидуальных атомов или ионов и удерживание их в вакууме, чтобы изолировать их от нагревания и вибрации. Но такие условия трудно и дорого поддерживать, и они очень хрупкие: любой случайный свет может попасть на единственный атом и закрутить его.
Команда, в которой есть калтеховский физик Джефф Кимбл, занималась проблемой удерживания шарика чистого стекла в луче света («оптический пинцет») при комнатной температуре. Чтоб вы знали, шарик крошечный (100 миллионов таких же могли уместиться в блошином яйце), но тем не менее в нем находятся миллионы атомов. Такой размер позволяет манипулировать им без боязни отправить его в тьмутаракань, но при этом он достаточно легкий, позволяющий оптическому пинцету преодолеть силу притяжения. Он также достаточно мал для того, чтобы его можно поместить и удержать в суперпозиции состояний до тех пор, пока шарик остается механически и термально изолирован от этой назойливой кумушки – окружающей среды.
Бескрайние просторы
«Научно-технический обмен – это точно контактный спорт»
Карина Эдмондс (степень магистра в Калтехе в 1993 году, докторская – в 1998-м) стала самым первым координатором по научно-техническому обмену Министерства энергетики США. Ее работа состоит в том, чтобы помогать министерству продвигать в частный сектор все открытия и разработки, произошедшие в его семнадцати национальных лабораториях.
Активное распространение исследований и разработок, произведенных на государственных контрактах с частными компаниями, помогает поддерживать новые компании и создает высокотехнологические рабочие места. Вот эта дешевая камера в вашем мобильном, например, – та, которая только и может, что снимать селфи, – когда-то была дорогостоящей правительственной программой для получения изображений галактик.
Со своей степенью бакалавра в области механической инженерии из Род-Айлендского университета Эдмондс перешла в Калтех, чтобы изучать аэронавтику и материаловедение. Через несколько лет работы в частном секторе она перешла в научно-технологический обмен в ЛРД (Лабораторию реактивного движения НАСА, управляемую Калтехом) сначала как специалист, а затем и как директор. Эдмондс видит свою роль в связи людей и инновационных технологий с запросами рынка. И это приятное разнообразие в мире промышленного шпионажа и фанатично охраняемых коммерческих тайн.
Назад: 29 Синусный метод
Дальше: 31 Очень долго и счастливо
