Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

То же происходит и с волнами вероятности. Чтобы установить связь с принципом неопределенности, нам всего лишь нужно перейти от частот к энергиям, используя преобразователь для планковской валюты E = ħω. В конце концов, принцип неопределенности – не что иное, как элементарная математика французского ученого Жозефа Фурье, восходящая к началу XIX века. Фурье показал, как любой сигнал можно построить с помощью какой-нибудь комбинации осциллирующих синусоид, и, если вы хотите локализовать сигнал – зафиксировать его местоположение во времени или пространстве, – вам потребуется множество волн, которые аннулируют (компенсируют) друг друга в разных местах. Если вы хотите знать, где находится протон или электрон, вам нужен один острый пик на их волне вероятности. Согласно теории Фурье, это означает, что вам нужно множество волн с самыми разными длинами, которые налагаются и компенсируют друг друга везде, кроме окрестности этой частицы.

В квантовой истории есть один важный аспект, которого мы избегали (по крайней мере, до настоящего момента), поскольку он, пожалуй, беспокоит больше всего. Помните, как вы преследовали беглого преступника в торговом центре? Вы не знали точно, где он скрывается, но внезапно один из ваших полицейских поймал его – и вот вы уже точно понимаете, где он. В одно мгновение вы перешли от волны вероятности, раскинувшейся по всему торговому комплексу, к резкому пику в точке поимки. Какая физика описывает этот переход?

С тем же вопросом мы сталкиваемся, когда обнаруживаем электрон. Согласно Бору, в момент измерения волновая функция мгновенно сосредоточивается в том или ином месте. Вы не можете описать это с помощью уравнения, подобного уравнению Шрёдингера, – и как же вы это объясните? Когда я был студентом Кембриджа, я спросил об этом своего преподавателя. Он ответил, что задал тот же вопрос великому пионеру квантовой теории Полю Дираку, и тот признался, что озадачен. Но я был студентом давным-давно. Сегодня мы знаем гораздо больше (если не все) о том, что происходит на самом деле, но, чтобы объяснить это, сначала нужно рассказать вам историю о собаке Шрёдингера.

Во время дерзкого налета на Букингемский дворец радикальная группа преподавателей естествознания, называющих себя учениками Шрёдингера, захватила одного из любимых корги королевы Елизаветы. Цель группы – рассказывать общественности о науке, используя все, что нужно, чтобы привлечь ее внимание. Вскоре после рейда ученики выложили в Сеть видео, показывающее, что собака заперта в большом ящике. Ящик полностью закрыт, никто не видит и не слышит, что происходит внутри. Ученики уверяли зрителей, что воздуха собаке хватит минимум на два часа. Одновременно они предупредили и о том, что рядом с корги находится небольшое радиоактивное устройство. В течение часа с вероятностью в 50 процентов один из радиоактивных атомов распадется. Если это произойдет, запустится цепочка событий, которая приведет к выстрелу, мгновенно убивающему собаку. С такой же вероятностью в 50 процентов никакие атомы не распадутся и корги выживет. Затем идет прямая трансляция. Корги до сих пор в ящике. Ученики рассказывают, что собака сидит там уже почти час, и предлагают зрителям предположить, в каком она состоянии. Жива она или мертва? Социальные сети взрываются откликами.

У меня очень плохое предчувствие по этому поводу. #собакамертва

Всем нужно сохранять позитив. #собакажива

Собака и жива, и мертва. #суперпозиция

А затем ящик открывают. Мрачно заявляют, что корги умер. Или, возможно, подобно королеве, вы бы предпочли другую концовку, в которой собака выживает. На самом деле это не имеет значения. Суть в том, что, когда организаторы акции открывают ящик и заглядывают внутрь, собака или жива, или мертва. Других способов закончить эту историю нет.

Но как насчет того момента, когда вопрос задан, а в ящик еще не заглянули? Что тогда? Что ж, как и все в квантовой механике, собаку следует описывать некоторой волной вероятности. Одна такая волна описывает живую собаку, другая – мертвую. Когда корги впервые оказывается в ящике, он неутомимо лает и, похоже, полон решимости отхватить кусок от кого-нибудь. Собака явно жива и должна описываться первой из наших волн вероятности – живой. Но время идет, и волна, описывающая собаку, превращается в нечто более экзотическое: волну мертвой собаки, которая накладывается на волну живой. Вероятность того, что корги жив или мертв, оказывается растянутой на оба варианта точно так же, как она была растянута на положение беглого преступника в торговом центре. Так что, прежде чем кто-то заглянет внутрь ящика – до того, как кто-то произведет измерение, – может показаться, что корги и жив, и мертв.

Хештег – суперпозиция.