Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 40)

Рис. 9.13. Как всегда, направление времени на этих диаграммах зависит от нашего

выбора. В случае А нейтрон и протон, двигающиеся вверх, взаимодействуют посредством обмена мезоном. В случае В нейтрон и антинейтрон, двигающиеся слева направо, встречаются и аннигилируют, создавая мезон, который в свою очередь распадается, создавая пару протон - антипротон. Такие «перекрестные реакции» показывают, как понятия силы и частицы становятся неразличимыми.

Рис. 9.14. Два протона отталкиваются друг от друга, обмениваясь пионом.

Если существует фундаментальная неопределенность энергии частицы на достаточно коротком временном отрезке, то мы также можем сказать, что есть и фундаментальная неопределенность о том, существует ли частица вообще на достаточно коротком временном отрезке. Если соблюдаются некоторые законы - например, закон сохранения электрического заряда и равновесие между частицами и античастицами, - то ничто не мешает целому пучку частиц появиться из ничего и затем, рекомбинируя друг с другом, исчезнуть, до того как Вселенная заметит это расхождение.

Рис. 9.15. Два электрона взаимодействуют друг с другом посредством обмена фотоном.

Рис. 9.16. С помощью заряженного пиона нейтрон превращается в протон посредством взаимодействия с протоном, который становится нейтроном.

Рис. 9.17. Протон может также создать «виртуальный» протон при условии, что он будет быстро поглощен вновь.

Рис. 9.18. Отталкивание двух протонов посредством обмена пионами на самом деле гораздо сложнее, чем это казалось на рис. 9.14.

Электрон и позитрон могут появиться из ничего, если они исчезнут достаточно быстро. То же самое может произойти с протоном и антипротоном. Строго говоря, электроны способны на этот трюк только при помощи протона, а протоны - при помощи мезона, чтобы обеспечить необходимое «рассеяние». Фотон, которого не существует, создает пару позитрон - электрон, которая затем аннигилирует, чтобы создать фотон, который изначально их создал, ведь фотон, как мы помним, не отличает прошлое от будущего. Или же можно представить, что электрон ловит себя за хвост в круговороте времени. Сначала он появляется, выскакивая из вакуума, как кролик из шляпы фокусника, затем проходит небольшое расстояние вперед во времени, понимает свою ошибку, признает собственную нереальность и разворачивается назад, возвращаясь туда, откуда он появился, путешествуя назад во времени до стартовой точки. Там он снова меняет направление, и цикл продолжается при помощи взаимодействия с фотоном - высокоэнергетического процесса рассеяния - в каждом «конце» цикла.

Согласно нашим лучшим теориям о поведении частиц, вакуум - это бурлящая масса виртуальных частиц, которые существуют сами по себе, даже когда рядом нет «настоящих» частиц. И это не просто праздная возня с уравнениями, ведь, не делая поправку на эффект этих вакуумных флуктуаций, мы просто не сможем получить верные ответы на задачи, включающие рассеяние частиц друг другом. Это веское свидетельство того, что теория, как мы помним, основанная прямо на соотношениях неопределенности, верна. Виртуальные частицы и вакуумные флуктуации столь же реальны, как и все остальное в квантовой теории, - столь же реальны, как корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности и действие на расстоянии. В таком мире едва ли кажется честным вообще называть парадоксом загадку кота Шрёдингера.

Кот Шрёдингера

Знаменитый парадокс с котом появился на страницах печати (Naturwissenschaften , том 23, с. 812) в 1935 году, в тот же год, когда вышла статья о парадоксе Эйнштейна - Подольского - Розена. Эйнштейн счел предложение Шрёдингера «великолепным способом» показать, что волновое представление о материи является неполным представлением о реальности56, и парадокс с котом вместе с аргументом Эйнштейна - Подольского - Розена до сих пор обсуждается в квантовой теории. Однако, в отличие от аргумента ЭПР, он не был разрешен так, чтобы удовлетворить всех и каждого.

И все же идея, стоящая за этим мысленным экспериментом, очень проста. Шрёдингер предположил, что нужно представить ящик, в котором находится источник радиации, детектор, фиксирующий присутствие радиоактивных частиц (к примеру, счетчик Гейгера), стеклянный флакон с ядом наподобие цианида и живой кот. Аппарат в ящике настроен таким образом, чтобы детектор был включен в течение такого времени, которого достаточно для появления пятидесятипроцентной вероятности того, что один из атомов радиоактивного вещества распадется и детектор зафиксирует частицу. Если детектор зарегистрирует это, стеклянный контейнер разобьется и кот умрет; если же нет, кот выживет.

Рис. 9.19. Нейтрон может на короткое время превратиться в протон и заряженный пион, при условии что две эти частицы быстро снова сойдутся вместе.

См., например, письма 16-18 в «Письмах о волновой механике» Шрёдингера.

I

t

ТГ I +

I

Рис. 9.20. А пион может создать виртуальную пару нейтрон - антипротон на столь же короткое время.

У нас нет возможности узнать результат эксперимента, пока мы не откроем коробку и не заглянем внутрь; радиоактивный распад происходит случайно и является непредсказуемым - предсказать его возможно только статистически. Согласно строгой Копенгагенской интерпретации, как и в эксперименте с двумя прорезями, где есть равная вероятность того, что электрон пройдет через каждую из них и две накладывающиеся друг на друга реальности создают суперпозицию состояний, в этом случае равные вероятности радиоактивного распада и его отсутствия также должны создать суперпозицию состояний. Весь эксперимент - кот и все остальное - подчиняется закону о том, что суперпозиция «реальна», пока мы не смотрим на эксперимент, и что волновая функция редуцируется до одного из двух состояний только в момент наблюдения. Пока мы не заглянем внутрь, радиоактивный образец одновременно и подвергся распаду, и не подвергся, стеклянный сосуд с ядом одновременно и разбился, и не разбился, а кот и умер, и остался жив, не будучи ни жив, ни мертв при этом.

Одно дело представить себе элементарную частицу вроде электрона, сказав, что она находится не здесь и не там, а в некоторой суперпозиции состояний, и совсем другое - представить в таком подвешенном состоянии что-то знакомое, например кота. Шрёдингер разработал этот эксперимент, чтобы выявить изъян в строгой Копенгагенской интерпретации, ведь кот явно не может быть и жив, и мертв в одно и то же время. Но разве это более «очевидно», чем тот «факт», что электрон не может быть одновременно и волной, и частицей? Уже признано, что здравый смысл - никудышный проводник по квантовой теории. В квантовом мире, как мы знаем наверняка, нельзя доверять здравому смыслу и нужно верить только тому, что можно увидеть или недвусмысленно определить имеющимися в нашем распоряжении инструментами. Мы не знаем, что происходит в ящике, пока не заглянем внутрь.

Споры о коте в ящике не утихают и по сей день. Одна научная школа полагает, что проблемы нет, так как кот вполне может сам решить, жив он или мертв, и сознания кота достаточно, чтобы запустить редукцию волновой функции. В этом случае где провести черту? Будет ли муравей понимать, что происходит? А бактерия? Двигаясь в другом направлении, раз уж это исключительно мысленный эксперимент, мы можем представить волонтера-человека, который занимает в ящике место кота (этого волонтера иногда называют «другом Вигнера» по фамилии физика Юджина Вигнера, который много раздумывал о вариациях эксперимента с котом в ящике и который по совпадению был шурином Дирака). Человек в ящике явно является компетентным наблюдателем, обладающим квантово-механической способностью к редукции волновых функций. Когда мы открываем ящик, полагая, что нам повезло и волонтер до сих пор жив, мы можем быть уверены, что тот не сообщит нам ни о каких мистических переживаниях, а просто скажет, что источник радиации не испустил ни одной частицы за отведенное время. И все же для нас, находящихся за стенками ящика, единственным верным способом описать условия внутри него, пока мы не заглянем внутрь, является суперпозиция состояний.

Цепочка бесконечна. Представьте, что мы заранее объявили об эксперименте заинтригованному миру, но чтобы избежать вмешательства прессы, провели его за закрытыми дверями. Даже после того как мы открыли ящик и либо поприветствовали друга, либо вытащили наружу его труп, репортеры по другую сторону двери не знают, что происходит внутри. Для них все здание, в котором расположена лаборатория, находится в суперпозиции состояний. И так далее до бесконечности.

Рис. 9.21. Диаграмма Фейнмана (пространственно-временная) истинного взаимодействия нескольких частиц, обнаруженных на фотографии из пузырьковой камеры и описанных Фритьофом Капрой в «Дао физики».

р

р

Рис. 9.22. Единичный протон может быть задействован в целой сети виртуальных взаимодействий, подобных этому, из книги «Мир элементарных частиц» К. Форда, Blaisdell, Нью-Йорк, 1963. Такие взаимодействия происходят постоянно. Ни одна частица не является такой одинокой, как кажется на первый взгляд.

Но представьте, что мы заменили друга Вигнера компьютером. Компьютер может зарегистрировать информацию о радиоактивном распаде или его отсутствии. Может ли компьютер редуцировать волновую функцию (хотя бы внутри ящика)? Почему нет? Согласно еще одной точке зрения, значение имеет не осведомленность человека об исходе эксперимента и даже не осведомленность живого существа, а тот факт, что результат события, произошедшего в квантовом мире, был запротоколирован или оказал влияние на макромир. Радиоактивный атом может пребывать в суперпозиции состояний, но как только счетчик Гейгера - хотя бы - «проверяет» наличие продуктов распада, атом вынужден принять одно из двух положений: он становится либо распавшимся, либо не распавшимся.