Глава 10. Жизнь и смерть квантового кота

Ящик представляет собой гладкостенный эллипсоид, шесть на три метра в поперечнике, который я при всем желании не покину до самой смерти… В корпусе спрятана капсула с отравляющим газом. Она вмонтирована в воздушный фильтр, и всякая попытка добраться до нее или проделать дыру в корпусе приведет к тому, что внутрь начнет поступать цианид. Кроме того, в окружающем статико-динамическом поле находятся счетчик радиации, изотопный элемент и таймер. Мне не суждено узнать, когда именно таймер включит счетчик, когда крохотный изотоп лишится свинцовой оболочки, когда в камеру устремится поток частиц… Но в ту секунду, когда это случится, я пойму, что счетчик заработал, и успею еще ощутить перед смертью запах горького миндаля.

Дэн Симмонс.

Песни Эндимиона

Чтобы обратить внимание на необычный характер квантовых суперпозиционных состояний, Шредингер сконструировал парадоксальный мысленный эксперимент, противоречащий нашему обыденному восприятию окружающей реальности. Так, он предположил, что в замкнутом пространстве (ящике) находится сосуд с ядом, который может быть разбит механизмом, управляемым радиоактивным распадом. Внутри клетки находится кот (в оригинале статьи Шредингера это была кошка, но традиция превратила ее в кота), который является либо живым, либо мертвым в зависимости от радиоактивного распада. Отметим, что процесс измерения, как взаимодействия с макроскопическими измерительными приборами, является принципиально необратимым процессом, в результате которого состояние измеряемого объекта претерпевает редукцию.

Явление редукции (схлопывания, коллапса) волновой функции, несмотря на внешнюю простоту – к примеру, падала на некую поверхность экрана волна и в момент соприкосновения превратилась в частицу, – является одним из наиболее «болевых узлов» современной физики. Многие видные ученые вообще отказывают в праве на существование этому явлению, возражая против использования бесструктурных понятий. Действительно, если подходить к явлению редукции волновой функции как к обычному физическому явлению, то имеет смысл разбить его на этапы с характеристическими временами, присущими квантовым измерениям. Однако приверженцы «редукционного подхода», как правило, всячески избегают вопроса о внутренней структурной динамике процесса, мотивируя это его краткосрочностью. Много копий было сломано и вокруг вопроса о скорости распространения процесса редукции. До сих пор в околонаучных комментариях, давно уже перекочевавших из-за своей экстравагантности на страницы научно-популярных журналов, можно встретить описания различных квантовых явлений, имеющих «бесконечную скорость распространения». Тут надо сразу же подчеркнуть, что за все время существования новой физики никогда и ни в одном добросовестно поставленном эксперименте или наблюдении какого-то явления, ни в сверхмалых, ни в сверхбольших масштабах не наблюдались сверхсветовые передачи материальных носителей – тел или информации. Сейчас очень модно «преобразовывать» теорию относительности, однако в этом ее пункте критика всегда терпит полное фиаско. Поэтому чаще всего, когда рассказывается, что по самым «инновационным» представлениям процесс редукции происходит практически мгновенно, что несомненно противоречит теории относительности, запрещающей распространение сигналов, превышающих скорость света, тут же проговаривается, что рассматривается не реальный физический процесс, а математическая схема – прием его описания.

Мысленный эксперимент с котом Шредингера

Герметичный ящик (A) содержит радиоактивный источник (B), который равновероятно вызывает срабатывание счетчика радиации Гейгера (C), запускающего механизм (D), разбивающий колбу с ядом (E), убивающим кота (F). Наблюдатель (G, напоминающий Гейзенберга) должен открыть ящик для того, чтобы вызвать схлопывание вектора квантового состояния системы в одно из двух возможных состояний. Второму наблюдателю (H, напоминающему Шредингера), возможно, требуется сколлапсировать вектор состояния большей системы, содержащей первого наблюдателя и установку (A – F). Жизнь кота зависит от того, как поведет себя частица – как корпускула или как волна: в первом случае счетчик включается, во втором нет. По законам квантовой механики частица может находиться в суперпозиции, т. е. одновременно в двух когерентных состояниях, и, соответственно, подопытный кот в закрытом ящике одновременно и жив, и мертв. Однако стоит наблюдателю открыть «черный кошачий ящик», и он увидит либо мертвую, либо живую кошку, что вполне соответствует нашим логическим представлениям о природе наблюдаемых явлений.

За прошедшие годы к образу многострадального квантового кота обращалось множество физиков, журналистов и писателей. Одна из последних вспышек интереса к этому квантовомеханическому парадоксу связана с именем видного английского теоретика из Оксфордского университета Роджера Пенроуза, который заявил, что намерен воспроизвести на практике мысленный эксперимент Шредингера с котом. Выступление Пенроуза связано с серией экспериментов по проверке парадоксальных выводов принципа квантовой неопределенности, гласящего, что частица может находиться в нескольких местах одновременно. В частности, это ярко продемонстрировал не только для атомов, но и для сложных молекул физик-экспериментатор из Венского университета Антон Зайлингер. В поставленных им опытах сложные молекулы, состоящие из десятков атомов, проходили одновременно через два отверстия в экране. В общении с журналистами Зайлингер уверял, что, усовершенствовав технику эксперимента, он сможет регистрировать суперпозиции еще более крупных объектов, вплоть до бактерий и даже котов.

Пенроуз придерживается противоположной точки зрения: он считает, что суперпозиции разрушаются не только под воздействием внешней среды, но и сами по себе, естественным путем. О возможности такого процесса говорил еще выдающийся физик-теоретик Ричард Фейнман, который назвал это гипотетическое явление «объективной редукцией состояния». Исходя из идей Фейнмана, Пенроуз намеревается воссоздать эксперимент Шредингера именно с тем, чтобы опровергнуть его выводы. Образно говоря, он пытается доказать, что в пятидесяти процентах случаев кот в ящике будет жив, независимо от поведения наблюдателя, что можно было бы оценить, например по мурлыканью.

Если Пенроуз экспериментально докажет свою идею, ему удастся осуществить то, чего безуспешно добивались физики на протяжении прошлого века – посмертно примирить позицию Эйнштейна и Шредингера с позицией Бора и Гейзенберга. При этом, может быть, даже удастся соединить теорию относительности с квантовой механикой в обобщенную научную теорию под названием «квантовая гравитация».

Ричард Пенроуз рассказывает, как «поймать» квантового кота Шредингера

Я высказываю гипотезу, что при учете эффектов общей теории относительности возникают проблемы с суперпозицией альтернативных пространственно-временных геометрий. Возможно, что суперпозиция двух различных геометрий нестабильна и распадается на одну из двух альтернатив. Для примера могут быть геометрии пространства-времени живого или мертвого кота. Я называю такой распад на одну или другую альтернативу объективной редукцией…

Р. Пенроуз.

Квантовая теория и пространство – время

Однако практическое воссоздание эксперимента Шредингера с котом, несмотря на его кажущуюся простоту, наталкивается на очень серьезные инженерные трудности.

На общем проектном плане все технические детали выглядят не сложнее знаменитого ящика для квантового кота. Правда, вместо несчастного живого детектора предполагается использовать микроскопический кристалл – молекулу размером в несколько десятков атомов, который облучается расщепленными лазерными лучами. В теории лазерный фотон в состоянии суперпозиции, сталкиваясь с кристаллом и незначительно сдвигая его, также переводит его в суперпозицию. Остается только с помощью системы зеркал и датчиков замерить время, в течение которого кристалл будет находиться в этой суперпозиции. Согласно стандартной квантовой модели, в основе которой лежит копенгагенская интерпретация Бора, суперпозиция будет продолжаться до тех пор, пока на нее не подействует внешняя среда. В классическом кошачьем эксперименте Шредингера роль внешней среды играл лаборант-наблюдатель, открывающий крышку ящика с котом.

По предварительным теоретическим оценкам Пенроуза суперпозиция довольно большого по квантовым масштабам кристалла из полутора десятков атомов должна разрушиться естественным путем за десятые доли секунды.

Практическое осуществление эксперимента по «объективному редуцированию» волновой функции осложняется тем, что сдвинуть подобный кристалл с места может лишь фотон рентгеновского спектра излучения, но такие фотоны обладают повышенной проникающей способностью, и для них чрезвычайно сложно добиться зеркального отражения, что совершенно необходимо для проведения ряда замеров. Кроме того, по условиям эксперимента фотон должен находиться в состоянии полета не менее десятой доли секунды, а это значит, что он должен пройти расстояние, примерно равное диаметру Земли. Наиболее реально было бы провести эксперимент в космосе на двух достаточно удаленных платформах, причем тут складывается уникальная ситуация для объединения с уже реально запланированной на близкое будущее космической миссией по обнаружению гравитационных волн.

Мировое научное сообщество глубоко разделилось во мнениях по поводу перспективности экспериментов Пенроуза. Причем большинство специалистов в области квантовой физики все же считает, что Пенроуз не совсем прав в своих далеко идущих теоретических предположениях. Тем не менее и сторонники и критики одинаково поддерживают проведение нового «квантово-кошачьего» эксперимента хотя бы для того, чтобы убедиться в правомерности существования идеи «объективной редукции».

Здесь я не могу не заметить, что сам в полной мере разделяю мнение профессора Пенроуза, когда он подчеркивает, что его озадачивает не сама загадка пресловутого полуживого квантового кота в коробке, а то, с какой готовностью часть физиков принимает на веру подобный логический абсурд и с каким упорством его защищает.

Когда-то, еще в период становления квантовой физики, Шредингер придумал свой мысленный кошачий эксперимент как иллюстрацию логической несуразности основ квантовой механики, однако вскоре оказалось, что его кот зажил собственной жизнью, проник в иные миры и измерения, приобрел имя в литературе и неожиданно большой вес в научных кругах. В квантовой теории шредингеровский кот часто стал использоваться таким образом, о котором его хозяин, похоже, и не помышлял, иллюстрируя разрушительную декогеренцию суперпозиционных квантовых состояний под воздействием окружающей среды или вмешательства наблюдателя.

На лекциях по квантовой механике в этом месте обязательно кто-то из студентов интересуется: так жив или нет замученный физиками представитель кошачьего племени? И в который раз следует ответ, что, следуя сложившейся традиции, можно предположить, что, когда квантовая система вступает во взаимодействие со средой, в которой она находится, ее суперпозиция распадается и она переходит в одно из альтернативных состояний. Правда, остается еще любопытный вопрос: а в какой именно момент бедный кот растворяется (или полурастворяется?) в окружающем мире при вступлении квантовой системы во взаимодействие с окружением? Вообще-то, тут можно «навскидку» назвать десяток видных и не очень физиков, которые тут же отправят путешествовать измученное неопределенностью животное создание по совершенно невообразимым мирам, пространствам и реальностям. Более того, некоторые даже предположат, что ваше сознание вступит в «квантовую связь» с сознанием кота… Впрочем, здесь мы немного забегаем вперед, вторгаясь в теоретическую вотчину знаменитого конструктора Многомирья Хьюго Эверетта.

Как хорошо тут начнешь понимать несравненного Стивена Хокинга, заметившего, что, когда он слышит о коте Шредингера, его рука тянется к ружью! Ну а ответ на вопрос, вызвавший столь бурные эмоции у физика, которого все чаще называют современным Эйнштейном, довольно прост: все связи квантового мира с макроскопической реальностью начинаются и заканчиваются в момент редукции, коллапса, схлопывания одного из самых загадочных образов физического мира – волновой пси-функции. Впрочем, читатель, наверное, уже догадался, что у физиков ответы на подобные вопросы всего лишь дело вкуса… Вот поэтому в окружающей нас физической реальности не встречается полуживых квантовых котов.

К феномену шредингеровского кота можно подойти и с совершенно иных позиций, наиболее четко и остроумно отстаиваемых профессором МГУ Д. Н. Клышко и профессором МФТИ А. И. Липкиным, не говоря уже о лидере российской науки академике В. Л. Гинзбурге. В двух словах это звучит так: существуют фундаментальные квантовые эффекты вероятностной природы на микроуровне в строго ограниченных масштабах молекул, атомов и элементарных частиц. Существуют также очень редкие макроквантовые эффекты, лежащие в основе действия лазеров, туннельных диодов и сверхпроводящих устройств. Есть даже намеки на мегаквантовые эффекты, управляющие эволюцией нейтронных звезд. Однако эффекты усиления квантовых явлений в макроквантовую суперпозицию котов, пусть даже ведущих свой род от кошки великого Шредингера, науке неизвестны!

Тут читатель вправе задать решающий вопрос: означает ли это, что квантовая механика в принципе неприменима для макрообъектов? И где тут видимая граница?

У замечательного советского фантаста Георгия Гуревича есть весьма занимательное произведение «Темпоград». В нем рассказывается о многих удивительных, но вполне «близконаучных» вещах, в том числе о путешествии экипажа отважных «темпонавтов» в сверхглубины микрокосмоса. В чудесном «темпоскафе» исследователи микромира проходят последовательно молекулярный – атомарный – частичноэлементарный уровни и где-то за маревом волн электронов исчезают навсегда в пучинах микробесконечности. Печальные итоги столь удивительной экспедиции не должны нас останавливать, и мы также воспользуемся темпоскафом Гуревича для изучения границы между микро- и макромиром.

Давайте совершим прыжок сразу на атомарный уровень, как сегодняшнюю границу наблюдаемого микрокосмоса. Здесь мы должны решить очень важный и непростой вопрос: где предел реальной наблюдаемости трансатомарных объектов? Если представить, что в отдаленном будущем создадут некий прообраз «кваркового микроскопа» (разумеется, это совершенно условный образ), «рабочим веществом» которого будут волны-частицы с длиной, сравнимой (а лучше меньшей) с диаметром атомного ядра, то вполне возможно, в школьных учебниках рядом с уникальными фотографиями атомов свое место займут и фотографии ядер. Ну а что содержится дальше в глубинах материи? Скорее всего, именно где-то здесь и пролегает граница принципиально прямонаблюдаемого, которую условно можно принять за «рабочий» критерий микро- и макроскопического.

Приблизительно такая точка зрения если и не излагается прямо, то принимается «по умолчанию» в большинстве обычных школьных учебников. Если учебник хороший, в нем обязательно оговаривается, что существует ряд «макроквантовых» явлений, таких как сверхпроводимость, сверхтекучесть, излучение лазеров-мазеров и работа туннельных микроэлектронных приборов. В этих явлениях закономерности квантового мира проявляются на макроскопическом уровне. Если же учебник не просто хороший, а умный, в нем будет указано, что границу между микро- и макромиром надо «делимитировать» каждый раз в конкретном процессе, опыте или явлении, в прямой зависимости от условий их протекания, постановки и наблюдения. Правда, тут возникает отнюдь не риторический вопрос: если макроскопические явления далеко не всегда четко сопоставимы классическим объектам, то, может быть, границы между классической и квантовой реальностью вообще не существует? Разумеется, школьные учебники, даже очень хорошие, ответа на подобные вопросы не дают.

Исторически вопрос о границе квантовой реальности возник сразу же после рождения квантовой теории, и одним из первых на нем заострил внимание Бор, считавший (а вместе с ним и вся его копенгагенская школа), что классический мир начинается с наблюдательного прибора, необходимого для выявления результата квантового микроскопического измерения. В процессе развития копенгагенской интерпретации Бор остановился на точке зрения, что разделительная линия между квантовой и классической теориями должна быть подвижной, так что даже «конечный прибор» – нервная система наблюдателя – в принципе может быть измерена и проанализирована в качестве квантового объекта. Очевидно, Бор имел в виду, что для практически любой задачи квантовых измерений всегда может быть подобран подходящий классический детектор. В отсутствие жесткого критерия для выявления различия между квантовыми и классическими объектами часто использовалось отождествление классического объекта с макроскопическим.

Ну а теперь позвольте предложить забавную юмореску, присланную моим читателем Денисом Абсентисом после выхода книги «Великая квантовая революция».

Время действия – Великобритания, январь, 1935 год.

– Что за бред вы здесь понаписали, Эрвин?! – редактор отложил рукопись, протер очки и уставился изумленным взглядом на посетителя, смущенно сидящего перед ним. – Как вам в голову пришел этот дохлый кот? Неужели без таких сомнительных аллегорий никак не объяснить сущность законов квантовой механики? Если бы я вас раньше не знал и не печатал ваши статьи…

– Ханс, мне этот кот тоже совсем не нравится… Но это как раз ваш референт настоял на нем. Сейчас я объясню. Видите ли, первоначально мне показалось, что я для популярного объяснения нашел очень яркий и знакомый всем с детства образ, который описывается суперпозицией двух состояний… Я ведь человек религиозный, и знаете… Квантовая механика ведь тоже создана по милости Господней. Просто некоторые ее моменты многим непонятны, и надо было найти соответствующий и волнующий воображение образ, драматизирующий интерпретационную проблему. Тогда люди заинтересуются и преодолеют мнимую сложность понимания. Вот образ Иисуса на кресте – это как раз то, что было бы понятно всем…

– Эрвин… – Ханс Дитл перестал вертеть очки в руках и положил их на стол. – Вы хорошо себя чувствуете? Вы уверены, что у вас не горячка? Сначала дохлый кот, а теперь дохлый…

Редактор запнулся, поняв, что чуть не сказал что-то кощунственное. Но захваченный своей идеей профессор ничего не заметил.

– Да ведь в том и дело, – быстро перебил редактора Шредингер, – что Иисус на кресте лучше всего демонстрирует суть квантового парадокса, а удар сотника с копьем – момент коллапса волновой функции. Вот представьте: наш Господь без сознания висит распятый на кресте, истекая кровью, и никто – слышите: никто! – не может на этот момент сказать, мертв он или жив. Ведь это и есть в самом чистом виде понятие квантовой неопределенности. В онтологическом смысле Христос не может быть жив и мертв одновременно – это квантовая суперпозиция. Только удар копьем может дать нам ответ о его состоянии. Только такая вот эмпирическая проверка. В квантовом смысле посланный Пилатом римский сотник с копьем – это внешний наблюдатель, экспериментатор, дающий нам окончательный ответ на вопрос, жив Иисус или нет на этот момент. Это и есть образ мгновенного изменения описания квантового состояния объекта, происходящего при измерении. А до того мы ничего точно не знаем, Христос для нас не жив и не мертв одновременно!

Шредингер победно откинулся на спинку кресла, оглядывая растерянного редактора.

– Вы же понимаете, что научный журнал не может ничего такого печатать, это же явное богохульство, – выдавил из себя, наконец, онемевший Дитл. – Вы представляете, как бы обрушились на нас представители всех конфессий? Да это даже обсуждать нельзя в здравом уме. Серьезно, Эрвин, вы хорошо себя чувствуете?

– Мне это сначала не показалось никаким богохульством, – сразу погрустнел Шредингер. – Ведь такое состояние Христа прекрасно известно каждому, верующему и неверующему. Поэтому я подумал, что этот общеизвестный факт был бы очень нагляден для пояснения проблемы. Но ваш референт уже убедил меня и предложил заменить Христа на кота…

– На кота? – казалось, редактора вот-вот хватит удар. – Вы теперь предлагаете распятую кошку вместо Христа? Да вы думаете, что говорите?

– Нет-нет, – торопливо прервал Шредингер. – Не распятую, конечно. Просто кошку, состояние которой нам неизвестно. Ну, не живую и не мертвую одновременно. Вот ваш референт и предложил заменить крест на коробку. Кошка помещается в герметичную коробку, и мы не знаем, жива она или уже задохнулась. Ее квантовое состояние…

– Стоп! Прекратите, Эрвин. Вы сегодня явно не в себе. Давайте перенесем разговор на завтра. Только исков от всевозможных обществ защиты животных нам не хватало!

– Но это же абстрактная кошка. Причем тут… Ну, ладно. Если душить кошку – это, на ваш взгляд жестоко, то можно оставить в коробке дырочки, и кошка просто умрет от голода, но мы не будем знать, случилось это уже или нет. И узнаем это только тогда, когда откроем ящик.

– А экспериментатору, очевидно, надо выдать затычки для ушей, – неожиданно у редактора прорвалась злая ирония. – Чтобы он не слышал мяуканья голодной кошки?

– Ну, кошке можно зашить рот… – профессор посмотрел на выражение лица редактора и осекся. – Хорошо, не так. Кошку можно намочить и подвести к ней два электрода… Нет, не то… Можно добавить в коробку ампулу с ядом. Вот! Действительно, так лучше. Помещаем внутрь ящика кошку, запечатываем его и оставляем систему в покое на час. Мы не знаем, разбилась ампула или нет. А соответственно, мы не знаем, умерла ли кошка.

– Эрвин! – Ханс Дитл уже успокоился и попытался настроить разум на аналитический лад. – Но какого дьявола эта чертова ампула должна произвольно разбиться?

– Ну, это же технические детали! Привяжем к этой ампуле молоточек, который сработает, когда… когда…

– Молоточек? – участливо поинтересовался редактор. – Да, да. Действительно, этот ваш убийственный молоточек в вашей адской машинке каким образом будет приведен в действие?

– Ну… К этому молоточку мы приспособим счетчик Гейгера, а рядом расположим радиоактивный источник, испускающий гамма-лучи…

– Так-так-так… – в голосе редактора уже пробивались иногда необходимые ему по должности елейные нотки психиатра. – И что же дальше?

– А механизм счетчика мы соединим с соленоидом, который, если отсчет случится, разобьет колбу с синильной кислотой…

– Колбочка с синильной кислотой? Да, да, это очень интересно. – Дитл уже внутренне смирился с тем грустным фактом, что старина Шредингер сошел с ума, и думал уже только о том, как бы избавиться от неадекватного профессора.

– Таким образом, ящик заполнится смертоносными парами, и наш кот умрет! Или, если отсчет не случится и колба останется нетронутой, то не умрет! Но до того для нас кот все еще «мертвоживой». И только процесс наблюдения переводит кота в определенное состояние. – Шредингер победоносно посмотрел на редактора.

– Ну, хорошо, дорогой Эрвин, хорошо, – успокаивающим сладким голосом произнес тот. – Я сейчас, к сожалению, уже опаздываю на совещание, так что мы вернемся к этому обсуждению завтра, ладно? Или послезавтра… Очень интересная идея, мы обязательно… Но мне уже пора, покорнейше прошу меня извинить…

Шредингер вышел за дверь кабинета и пошел вниз по широкой лестнице.

Если бы он задержался у двери, то, возможно, смог бы расслышать, как на повышенных тонах Ханс Дитл давал инструкции своей секретарше: «Если этот сумасшедший богохульный маньяк-вивисектор и распинатель кошек еще раз здесь появится, гоните его поганой метлой! Пусть он хоть был бы десять раз нобелевский лауреат, но позорить наше респектабельное издание описаниями мучений дохло-недохлых кошек я из-за него не собираюсь. И запомните: меня для него никогда нет. Слышите, никогда!»

Шредингер этого монолога не слышал. Впрочем, то, что ни завтра, ни послезавтра ему сюда смысла возвращаться нет, профессору было и так понятно. Выйдя на улицу, физик остановился, вздохнул, покачал головой и, окинув взглядом ближайшую церковь, пробормотал вполголоса: «Да, действительно, бред какой-то с этой кошкой получается… Вот с Христом так все просто и понятно… Но нельзя так нельзя… Здесь Ханс все же прав. Зря я вообще о Христе упомянул. Придется теперь пробовать обратиться в другую редакцию. Пожалуй, надо ехать в Берлин…»

Вздохнув, Шредингер отправился домой, твердя себе: «В следующий раз ни слова о Христе, ни звука о Христе, только кот. Только кот – иначе вообще не напечатают».

– Ну, дорогой профессор, это, конечно, забавная иллюстрация… – редактор немецкого журнала «Естественные науки» задумчиво прошелся по кабинету и повернулся к окну. – Но мне кажется, что с кошкой вы слишком уж намудрили. Ну хорошо бы еще просто кот. Но столько лишних дополнительных приспособлений – и коробка, и смертельный газ, и молотки, соленоиды, счетчики Гейгера, гамма-излучатели… Что-то во всем этом есть садистко-маниакальное, вы не находите? За что вы так не любите кошек? Может, все же можно придумать хоть что-то немного попроще, а?

– Я уже думал на эту тему, но…

Шредингер в нерешительности подошел к редактору и вдруг с ужасом понял, что тот смотрит в окно на церковь. Физик застыл на месте. Секунду спустя редактор махнул рукой, словно отгоняя от себя ненужные мысли, и быстро направился к столу:

– Ну что ж, профессор, дело ваше. Хотите кота – пусть будет кот. Завтра отдаем в печать.

Шредингер облегченно вздохнул.