Возьмем железный ящик и поместим в него кота. В другое отделение того же ящика положим счетчик Гейгера и контейнер с небольшим количеством радиоактивного вещества. Радиоактивного вещества так мало, что с вероятностью 50% один из его атомов распадется в течение ближайшего часа. Если это произойдет, счетчик Гейгера уловит радиацию и с помощью пружины включит механизм, разбивающий небольшую склянку с синильной кислотой. Ядовитые пары тут же прикончат кота.
Если через час открыть коробку, кот с вероятностью 50% будет жив и с такой же вероятностью — мертв. На самом деле все не так просто. Современной физике известно, что поведение массы и энергии на атомном и субатомном уровне — в том числе и радиоактивного вещества в контейнере рядом с котом — лучше всего описывает квантовая механика. Согласно квантовой картине мира, принятой сегодня среди физиков, траектория и скорость движения субатомных частиц не определены, пока не измерены. В случае с котом атом оказывается в «суперпозиции» двух возможных состояний, распавшегося и нераспавшегося, и останется в таком неопределенном состоянии, пока не будет произведено наблюдение. До момента наблюдения состояние атома описывается вероятностями двух возможных исходов. Возможно, в микромире такая неопределенность и не вызывает недоумения, но каким образом эти чудеса сочетаются с опытом нашей повседневной жизни, уяснить гораздо сложнее. В случае вышеописанного эксперимента кот оказывается в некотором смысле одновременно и жив, и мертв.
Кот Шредингера
Этот мысленный эксперимент был предложен еще в 1935 году одним из пионеров квантовой механики, австрийским физиком Эрвином Шредингером. Он, разумеется, не призывал к жестокому обращению с животными, просто надеялся продемонстрировать абсурдность попыток совместить квантовую механику с традиционной картиной мира. Проблема, которую пытался проиллюстрировать Шредингер, — так называемая «проблема измерения» — лишь одна из странностей этой науки. Но, несмотря на ее парадоксальность, квантовая механика оказалась невероятно полезной моделью, и теоретические ее выкладки многократно подтверждались практикой. Как и теория относительности Эйнштейна, квантовая механика считается одним из главных достижений физики ХХ века. Она повлияла не только на все области современной теоретической физики, но и на развитие технологий, от сверхпроводников до сверхбыстрых вычислений. Как же примирить квантовую картину мира с повседневным опытом? Придется ли нам из-за странного поведения субатомных частиц полностью изменить мировоззрение?
«Когда дело доходит до атомов, приходится говорить языком поэзии. Поэта тоже заботит не описание фактов, а создание образа» Нильс Бор
От отчаяния к надежде
В начале ХХ века физики придерживались тех же взглядов, что и заложивший основы современной науки Исаак Ньютон. Что касается света, его поведение следовало описывать, как поведение волны. Эта модель неплохо работала в объяснении преломления и интерференции, но совершенно не объясняла других явлений — например, поглощения и распространения света. Именно из-за этих неувязок были предприняты первые шаги в разработке новой теории.
Одним из важных недостатков классической модели была ее неспособность объяснить «излучение абсолютно черного тела»: почему по мере нагревания раскаленный объект испускает свечение сначала красного, потом желтого и, наконец, белого цвета. Попытки объяснить эту аномалию довели немецкого физика Макса Планка, по его собственным словам, «до отчаянного шага». Чтобы уравнения, описывающие это излучение, сошлись наконец, Планк решился на смелое допущение, что излучение (энергия), исходящее от объекта, не постоянно, а выделяется отдельными порциями, которые он назвал квантами (от латинского слова «количество»).
Сам Планк считал, что его предположение не отражает реальности и кванты — не более чем удобная математическая абстракция. Пятью годами позже Эйнштейн успешно применил похожий метод для распутывания еще одной задачи, долго не поддававшейся решению в рамках классической модели, — проблемы фотоэлектрического эффекта, когда вещество испускает электроны под воздействием света. Вдохновленный идеей «квантов энергии», предложенной Планком, Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект тем, что свет также состоит из отдельных частиц (то есть квантов), которые он назвал фотонами. А в 1913 году датский физик Нильс Бор предложил новую модель строения атома, в которой стабильность атома при поглощении и излучении энергии объяснялась с помощью квантовых принципов.
Корпускулярно-волновой дуализм
Свет оказался явлением весьма загадочным. В одних случаях прекрасно работала классическая волновая теория; в других — эффективным оказывался подход Планка, Эйнштейна и Бора (но при этом свет рассматривался как поток частиц). Становилось все более очевидно, что на уровне физики элементарных частиц невозможно далее придерживаться классического разделения волн (распространяющихся в пространстве и переносящих только энергию) и частиц (движущихся с места на место, переносящих массу и энергию). Так что же такое свет: волна или частица? Оказалось, что — как ни странно — и то и другое.
Электромагнитное излучение (в том числе и видимый свет) и элементарные частицы, из которых состоит материя, обладают интересным общим свойством, так называемым «корпускулярно-волновым дуализмом». Формально первым эту идею — возможно, самый фундаментальный постулат квантовой механики — высказал французский физик Луи де Бройль в 1924 году. Ранее Эйнштейн предположил, что волна может вести себя как частица, де Бройль, в свою очередь, утверждал, что материя — электроны и другие частицы — может вести себя как волна.
За несколько поразительно насыщенных лет в середине 1920-х многие (в основном немецкие) физики успешно сформулировали математические основы квантовой механики. В 1925 году Вернер Гейзенберг разработал подход, известный как матричная квантовая механика, а в следующем году Шредингер создал волновую механику, продемонстрировав к тому же, что математически его метод эквивалентен методу Гейзенберга. Наступали времена новой теории природы материи, в которой место классической картинки с электроном, уверенно вращающимся вокруг стабильного ядра, отныне занимает призрачный ореол, размазанный по вероятностному пространству.
Квантовые затруднения
«Если кто-то утверждает, что квантовая механика не вызывает у него головной боли, — говорил Нильс Бор, — значит, он просто ничего в ней не смыслит». Неопределенность квантовой механики прекрасно демонстрирует так называемый принцип неопределенности Гейзенберга (1927), согласно которому невозможно точно измерить одновременно и скорость, и положение элементарной частицы. Чем точнее известно одно, тем менее точным становится измерение другого. Многие пытались с помощью квантовой неопределенности подорвать идею детерминированности Вселенной и «спасти» свободу воли. Другие, в том числе и де Бройль в 1962 году, предостерегали: «Куда безопаснее и мудрее оставаться на твердой почве теоретической физики и избегать зыбучих песков философии».
Странное поведение материи на квантовом уровне до сих пор вызывает философские споры. Особенные трудности создает проблема измерения: представление о «нефиксированности» квантового состояния вплоть до момента измерения, его неопределенности, о сумме возможных состояний до момента наблюдения. Почти все физики придерживаются так называемой копенгагенской интерпретации, сформулированной Бором, который жил в столице Дании. Сводится она к тому, что неопределенность, которую мы наблюдаем, для природы фундаментальна: следует принять ее и посмотреть, к чему это приведет. Эйнштейн не соглашался с этой интерпретацией, он утверждал, что квантовая механика не может быть полной и точной, что должны еще оставаться «скрытые переменные» и, если удастся их определить, реальность окажется классически детерминированной.