Глава 30. Квантовые химеры

Если две системы, состояния которых нам известны, временно вступают в физическое взаимодействие, а затем разделяются вновь, то их уже нельзя описывать прежним образом, то есть утверждать, что каждая система пребывает в своем собственном состоянии.

Я считаю это обстоятельство самой характерной чертой квантовой механики, разделяющей ее и классическую науку. Благодаря временному взаимодействию ранее независимые системы становятся запутанными.

Э. Шредингер.

Пространственно-временная структура Вселенной

Среди самых актуальных проблем квантовой физики выделяются представления объективной физической реальности с помощью «квантовой запутанности», или «спутанности» микрочастиц.

Давайте представим себе простой мысленный эксперимент, в котором две одинаковые частицы образовались при распаде третьей частицы. У физиков даже родился своеобразный модельный образ, где подобным микрообъектам сопоставляются «квантовые имена»: А – Алиса и Б – Боб. Пусть данные квантовые объекты рождаются в одной точке, а затем разлетаются в разные стороны. В момент рождения ни у одной из частиц не определены координаты и импульс, но в силу закона сохранения импульса сумма их импульсов в любой последующий момент времени равна нулю (как до рождения частиц). Теперь любое измерение координатного местоположения Алисы приведет к коллапсу ее волновой функции, и в тот же момент «схлопнется» и волновая функция Боба, поскольку его координаты автоматически уточняются через данные Алисы! Если волновая функция полностью характеризует частицу, то, значит, с Бобом действительно что-то произойдет, а ведь измерение проводилось над Алисой, которая могла быть в этот момент очень далеко, даже на другом краю метагалактики от Боба! Это напоминает мистическую магию: Алиса дергает за невидимую ниточку и где-то во Вселенной возникает улыбающийся Боб! В этом и заключается суть парадокса квантового запутывания.

Однако в квантовой теории подобный простой пример выглядит существенно иным образом, поскольку там предполагается, что две частицы могут быть неким образом связанными друг с другом. Тогда изменения, вносимые измерениями в состояние одной частицы, мгновенно сказываются на состоянии второй, и соединенные таким образом микрообъекты называют запутанными, сцепленными, спутанными или перепутанными. Если представить, что их описывает единая волновая функция – главная зависимость для любой микрочастицы, то передаваемое возмущение соответствует «коллапсионной редукции волновой функции», при которой загадочная частица-волна превращается в простую точку на экране-детекторе.

Мысленный эксперимент с котом Шредингера

В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Это можно сделать только в случае системы, части которой никогда не взаимодействовали друг с другом.

Легко предположить, что величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия квантовых систем с окружением.

Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Именно этот физический процесс и называется декогерентизацией. Это явление тесно связано с понятием квантовой запутанности и в своей основе подобно потере слаженности волновых колебаний отдельных микрообъектов в результате взаимодействия системы с окружающей средой.

В ноябре 1935 года выдающийся немецкий физик-теоретик Вернер Шредингер опубликовал схему парадоксального мысленного эксперимента, в котором представил, что в замкнутом ящике находится подопытный кот и сосуд с ядом, который может быть разбит механизмом, управляемым радиоактивным распадом. Таким образом, кот является живым или мертвым в ходе измерения – открытии ящика, в результате которого состояние измеряемого объекта кота претерпевает редукцию своей волновой функции.

Явление редукции волновой функции до сих пор вызывает различное толкование у физиков, а некоторые теоретики вообще отрицают данное явление. Другие подходят к нему в «квантово-темпоральном» смысле, разбивая этапы с характеристическими «планковскими временами». 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.

Пенроуз считает, что суперпозиции разрушаются не только под воздействием внешней среды, но и сами по себе, естественным путем. Так он пытается доказать, что в пятидесяти процентах случаев кот в ящике будет жив независимо от поведения наблюдателя.

В общем плане вместо квантового кота 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».

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.