В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Существует дополнение к Копенгагенской интерпретации (не отрицание и не контраргумент), которое по-прежнему включает в себя эту неотъемлемую симметрию, и эта лучшая картина квантового мира будет описана в одиннадцатой главе. Однако не стоит удивляться, что Гейзенберг не упомянул о нем в книге, опубликованной в 1958 году, ведь в то время разработка новой картины аспирантом из Соединенных Штатов Америки только началась. Впрочем, прежде чем перейти к ней, нужно проследить путь, который прошла комбинация теории с практикой, и описать эксперимент, в 1982 году доказавший бесспорную точность Копенгагенской интерпретации в качестве рабочей трактовки квантовой реальности. История начинается с Эйнштейна, а заканчивается в физической лаборатории Парижа более пятидесяти лет спустя, и это одна из величайших историй науки.

Часы в коробке

Великий спор Эйнштейна и Бора по поводу интерпретации квантовой теории начался в 1927 году на пятом Сольвеевском конгрессе и продолжался до самой смерти Эйнштейна в 1955 году. Эйнштейн также переписывался на эту тему с Борном, и характер спора можно понять, прочитав «Корреспонденцию Борна и Эйнштейна». В основе спора лежала серия воображаемых проверок предсказаний Копенгагенской интерпретации – не настоящих опытов, проводимых в лаборатории, а «мысленных экспериментов». Суть игры была в том, что Эйнштейн придумывал такой эксперимент, в котором теоретически можно было бы измерить обе комплементарные величины одновременно: положение и массу частицы или ее точную энергию и точное время и так далее. Бор и Борн затем объясняли, почему эксперимент Эйнштейна невозможно провести таким образом, чтобы развенчать теорию. Чтобы понять процесс игры, нам хватит одного примера – эксперимента «с часами в коробке».

Рис. 9.1. Эксперимент «с часами в коробке». Из-за инвентаря, необходимого для практического осуществления эксперимента (гири, пружины и т. д.), никогда не бывает возможным исключить неопределенность из измерения и энергии, и времени (см. текст).

Представьте коробку, сказал Эйнштейн, в одной из стенок которой есть отверстие, которое можно открывать или закрывать заслонкой под контролем часов внутри коробки. Помимо часов и механизма заслонки, в коробке присутствует излучение. Необходимо настроить аппарат таким образом, чтобы, когда стрелки часов достигнут какой-то конкретной, заранее определенной позиции, заслонка открылась бы и позволила вылететь наружу одному фотону, а затем закрылась вновь. Теперь нужно взвесить коробку, подождать, пока вылетит фотон, и снова взвесить ее. Так как масса – это энергия, разница в весе скажет нам, какой энергией обладал вылетевший фотон. Таким образом мы, в принципе, будем знать точную энергию фотона и точное время его прохождения через отверстие, ниспровергая тем самым принцип неопределенности.

Как и со всеми такими экспериментами, Бор выигрывал спор, обращая внимание на практические детали того, как могут производиться измерения. Коробку необходимо взвесить, так что она должна быть подвешена, например на пружине, в гравитационном поле. Пока фотон не вылетел из коробки, воображаемый экспериментатор должен заметить положение стрелки, прочно закрепленной на коробке, относительно шкалы весов. Когда фотон вылетит, экспериментатор, в принципе, может подвесить к коробке гирю, чтобы стрелка снова указывала на то же самое значение. Но уже одно это подразумевает необходимость соотношений неопределенности. Позиция стрелки может быть определена только в границах, заданных уравнением Гейзенберга, и существует неопределенность импульса коробки, связанная с неопределенностью положения стрелки. Чем точнее измерение массы коробки, тем выше становится неопределенность самого важного – величины ее импульса. Даже если попытаться восстановить изначальное положение, добавив к коробке небольшую гирю, чтобы вернуть пружину в начальное состояние, и измерить дополнительную массу, чтобы определить энергию вылетевшего фотона, не удастся сделать неопределенность меньше, чем это задано соотношением Гейзенберга, которое в этом случае имеет вид ΔEΔt > ħ.