Математические игры с дурацкими рисунками: 75¼ простых, но требующих сообразительности игр, в которые можно играть где угодно

Эту игру придумал инженер-программист Аллан Гофф. «После того как меня осенило, – пишет он в статье 2002 года (у нее еще два соавтора), – понадобилось всего полчаса, чтобы сформулировать правила. Это больше напоминало открытие, а не изобретение».

Моя любимая фраза в этой статье: «Крестики-нолики – классическая детская игра, укрепляющая наши предубеждения в отношении классической реальности». Я слышал много хулы в адрес крестиков-ноликов (слишком скучно, слишком просто, слишком велики шансы на ничью), но это что-то новенькое: «…укрепляет наши предубеждения в отношении классической реальности». Это прекрасно иллюстрирует цель квантовой игры: стать удобным учебным пособием, помогающим понять контринтуитивные концепции квантовой физики.

ПОЧЕМУ ЭТА ИГРА ВАЖНА?

Потому что так устроена Вселенная.

Я предвижу возражения и, черт возьми, согласен с ними. Эта квантовая игра ломает наши представления о пространстве, ставит под вопрос понятие времени, да и не только его – само значение слов «крестик» и «нолик». Иногда меня охватывает отчаяние, и кажется, что это вовсе не игра, а головная боль. Не хотелось бы мне, чтобы Вселенная была устроена именно так.

Но космос не оставляет места для сомнений. Он хочет, чтобы мы играли по квантовым правилам.

Если космос не кажется нам квантовым, то потому, что наш рост не 0,000 000 01 метра. В мире большего масштаба классическое описание реальности (с твердыми телами, тикающими часами и частицами, похожими на бильярдные шары) довольно хорошо отражает реальность. Однако при меньших масштабах правила резко меняются.

Например, в квантовой физике у частиц нет определенного местоположения. Электрон ни здесь, ни там. Электрон здесь и там одновременно, он размазан по пространству, это своего рода вероятностное облако. У классических объектов есть позиция, у квантовых – суперпозиция; они будто бы находятся в нескольких местах сразу.

Почему мы никогда не замечаем это двойственное поведение частиц? Потому что, как ни странно, сам наблюдатель меняет квантовое поведение. В тот момент, когда вы проводите измерение, частицы ведут себя как непослушные дети при появлении директора школы. Хаос внезапно заканчивается, вероятности исчезают, каждая частица занимает определенное место.

Распространенный пример: кот Шрёдингера. В этом мысленном эксперименте мы представляем кота в коробке с хитрым устройством. Оно определяет момент распада одного радиоактивного атома. Если атом распадается, то распыляется яд, убивающий кота. Если нет, кот остается в живых.

До того, как мы откроем коробку, за системой никто не наблюдает. Таким образом, атом находится в состоянии суперпозиции: он распался и не распался одновременно в соответствии с вероятностной логикой квантовой механики.

Следовательно, кот и мертв, и жив одновременно до тех пор, пока мы не откроем коробку и не произойдет квантовый коллапс.

В квантовых крестиках-ноликах «наблюдение» происходит, когда вы замыкаете петлю. Квантовая странность заканчивается, и клеточки заполняются обычными крестиками-ноликами. Нереализованные возможности бесследно улетучиваются.

Или нет?

Этот вопрос беспокоил физиков и философов на протяжении столетия. Одна из точек зрения – «многомировая интерпретация» – заключается в том, что так называемый квантовый коллапс на самом деле никогда не происходит. Частица занимает одну позицию в нашей вселенной, а другую – в параллельной. В одной реальности кот мертв, в другой – жив. В одной вселенной ваш крестик воплощается в угловой клеточке, в другой вселенной – в центральной клеточке. Существование – фейерверк параллельных вселенных, безмерно разветвляющихся каждую наносекунду[22].

Квантовые крестики-нолики показывают еще одну загадочную особенность квантового мира: нелокальность. Допустим, две клеточки находятся в состоянии квантовой запутанности. Когда вы точно понимаете, какой символ стоит в одной («Так это крестик!»), то немедленно получаете исчерпывающую информацию о другой («Эй, здесь должен быть нолик!»). Каким-то образом, без временной задержки и физического контакта, причина и следствие сосуществуют одновременно, будто бы далекие звездные системы мгновенно обмениваются сообщениями[23].

К концу игры квантовая странность исчезает. В финале на игровом поле остаются классические частицы, обычные крестики и нолики. Это наш заключительный урок по квантовой физике.

При достаточно больших масштабах квантовый мир не проявляет свои квантовые свойства.

Строго говоря, вы и ваш пес состоите из кварков и электронов. Но этих кварков и электронов так много, что вы совершенно не квантовые существа. Вы не находитесь в нескольких местах одновременно[24]. Ваши физические свойства не меняются, когда за вами наблюдают. Причина не порождает следствие со сверхсветовой скоростью.