В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

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 реальности[56]

, 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.

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.