В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Если принять Копенгагенскую интерпретацию, заключила статья о парадоксе Эйнштейна – Подольского – Розена, необходимо допустить, что «реальность [положения и импульса во второй системе] зависит от процесса измерения, происходящего в первой системе, которая не оказывает никакого влияния на вторую систему. Ни одно разумное объяснение реальности не может допустить подобного»[48]. В этом команда ученых разошлась с большинством своих коллег и со всей Копенгагенской школой. Никто не оспаривал логику аргумента, но единого мнения о том, что есть «разумное» объяснение реальности, не было. Бор и его коллеги могли жить в такой реальности, где положение и импульс второй частицы не обладали объективным значением, пока не подвергались измерению, вне зависимости от того, какие манипуляции проводились с первой частицей. Необходимо было сделать выбор между миром объективной реальности и квантовым миром, в этом сомневаться не приходилось. Но Эйнштейн остался в меньшинстве и решил, что из двух вариантов он выберет пристрастие к объективной реальности и отвергнет Копенгагенскую интерпретацию.

Однако Эйнштейн был честен и всегда готов принять обоснованное экспериментальное свидетельство. Если бы он дожил до его появления, результаты последних опытов над тем, что фактически является действием парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, убедили бы его в том, что он ошибался. Объективной реальности нет места в нашем фундаментальном описании Вселенной, но действию на расстоянии, или непричинности, такое место есть. Экспериментальное подтверждение этого представляет для нас такую важность, что ему следует посвятить отдельную главу. Но сперва для полноты картины нужно рассмотреть ряд других парадоксальных возможностей, свойственных квантовым законам: частицы, путешествующие назад во времени, и – наконец-то – знаменитого полумертвого кота Шрёдингера.

Путешествия во времени

Физики часто пользуются простым механизмом, чтобы показать движение частиц в пространстве и времени на листе бумаги или на доске. Идея заключается в том, чтобы показать течение времени направлением снизу вверх, а движение в пространстве – слева направо. Так три пространственных измерения сводятся к одному, но в результате получается картина, знакомая любому, кто Время имел дело с графиками: время соответствует оси у, а пространство – оси х.

Рис. 9.2. Движение частицы в пространстве и времени можно отобразить с помощью «мировой линии».

Эти пространственно-временные диаграммы впервые появились в качестве крайне полезного инструмента современной физики в теории вероятности, где их используют для иллюстрации многих тонкостей уравнений Эйнштейна с позиции геометрии, которую порой удобнее применять и часто проще понять. В физику частиц их в 1940-х годах принес Ричард Фейнман, и в этом контексте их обычно называют «диаграммами Фейнмана». В квантовом мире частиц отображение пространства и времени может быть заменено на описание с позиции импульса и энергии, которое имеет больше смысла, если речь идет о столкновениях частиц, но здесь я остановлюсь на простом графике пространства-времени.

Рис. 9.3. Электрон движется сквозь пространство и время, испускает фотон (γ-луч) и отскакивает под углом в сторону.

Путь электрона на диаграмме Фейнмана изображается в качестве линии. Электрон, который находится на Время одном месте и никогда не двигается, дает линию, идущую вертикально вверх, соответствуя движению только по оси времени; электрон, который медленно меняет свою позицию, а также двигается течением времени, дает линию, идущую вверх под небольшим углом, а быстро движущийся электрон дает больший угол в сравнении с «мировой линией» неподвижной частицы. Движение в пространстве может быть направлено в любую сторону, хоть влево, хоть вправо, и линия может ломаться зигзагами, если электрон меняет траекторию из-за столкновения с другими частицами. Но в обычном мире, или в мире простых диаграмм пространства-времени из теории относительности, мы не ожидаем, что мировая линия повернет вспять и пойдет вниз, поскольку это соответствует движению назад во времени.

Рис. 9.4. Отрезок жизни электрона, за который произошло два взаимодействия с фотонами.