Александр Зиновьевич Майлер
Загадочные явления
История не имеет сослагательного наклонения – это расхожая фраза, отражающая неумолимый ход времени. А собственно, почему неумолимый? Как бы нам хотелось увидеть мир без Гитлера или без убийства эрцгерцога Фердинанда и вообще без огромного количества негативных случайностей, порождающих несметные страдания людей.
В популярных изложениях парадоксов квантовой механики наиболее распространены описания историй с двух-щелевым экспериментом и с мало гуманным, хотя, к счастью, и умозрительным, экспериментом с так называемым котом Шредингера. В первом случае мы бомбардируем элементарными частицами экран, загороженный щитом с двумя щелями. Для простоты изложения будем упоминать элементарную частицу в виде хорошо всем известного электрона. Мы получаем на экране картину, свидетельствующую, что электрон не частица, а волна. Эта волна может проникать через любую из двух щелей на нашем щите, даже, если мы выстрелили только одиночным электроном. Более того, получается, что электрон может проникать через обе щели одновременно. На впервые читающего об этом классическом эксперименте читателя обрушивается далее совсем уж сенсационное утверждение. Как только мы начнем наблюдать, через какую конкретно щель пролетел электрон, картина на экране совершенно меняется. Она показывает, что электрон ни какая не волна, а совершеннейшая частица. То есть получается, что картина на экране принципиально зависит от того, наблюдает ли кто-либо за щелью или нет. Таким образом, существуют два варианта: либо электрон проходит как волна через обе щели сразу, либо при установке у одной из щелей детектора электрон проходит как частица только через одну из щелей.
Как же так, воскликнет впервые узнающий эту новость читатель! Что же, на электрон каким-то образом воздействует наблюдение за ним, и тогда он меняет свое поведение? Да, именно так, уважаемый читатель. В квантовой физике нельзя рассматривать объекты вне связки с наблюдением. При этом необходимо отметить, что экспериментальная квантовая физика доказала, что наблюдение может осуществляться либо человеком с помощью приборов, либо автоматически путем постановки регистраторов, либо даже в определенной играющей роль наблюдателя среде без приборов и регистраторов. Во всех случаях квантовых экспериментов сам факт наблюдения значительно воздействует на элементарную частицу. Когда мы наблюдаем мяч на футбольном поле, процесс рассматривания мяча точно также воздействует на мяч, так как мы видим объекты с помощью электромагнитных световых волн. Но воздействие на мяч этих волн не значительно, чего нельзя сказать про элементарную частицу, которая чувствительна по отношению к любому измерению.
Экспериментаторы в двух-щелевом эксперименте пошли дальше. Показывающий волновые свойства пролетающей через щели частицы экран поставили подальше, а регистраторы поставили не у щелей, а за экраном. Экспериментатор получил возможность убирать или ставить экран по своему усмотрению уже после того, как электрон пролетел через одну щель или обе щели. На пролетающий электрон не воздействует наблюдение, таким образом, электрон должен показывать волновые свойства, что и демонстрируется на экране. Убрав экран после того, как электрон уже пролетел через щели, экспериментатор должен ожидать, что находящиеся за уже убранным экраном регистраторы покажут, что электрон пролетел через обе щели как волна. Но не чуть ни бывало! Регистраторы показывают пролет электрона как частицы через одну щель. Но ведь воздействие регистратора на электрон произошло уже после события преодоления щелей. И напрашивается ошеломляющий вывод: наблюдение за событием в квантовом мире может воздействовать на поведение элементарных частиц в прошлом. Иными словами, будущее влияет на прошлое! Мы знаем, что в нашем мире действуют причинно-следственные связи в соответствии с принципом причинности. Деревья качаются, потому что дует ветер, а не наоборот. Но в квантовом мире эксперименты показывают, что бывает и наоборот.
Что происходит с вероятностным описанием локализации электрона в случае измерения, непонятно. Физики называют это «коллапсом» вероятностной функции. Никто объяснить не мог, почему электрон, который был волной, то есть как бы везде и одновременно нигде, вдруг при измерении становился дисциплинированной респектабельной частицей только потому, что его координаты были кем-то измерены. Существует объяснение такого поведения частиц простым соображением, что вероятностные описания квантовой физики отражают не вероятностною природу местонахождения частицы, а меру нашего не знания, где частица находится. Ведь когда мы проводим эксперимент с подбрасыванием монеты, то, если отвернутся и не смотреть какой стороной упала монета, можно сказать, что монета находится в суперпозиции, то есть она упала и орлом, и решкой в одно и то же время. Как только мы начнем фиксировать результат подбрасывания, то есть просто посмотрим – никакой суперпозиции, все совершенно определенно. Вот так, мол, и в квантовой физике: не измеряем – не знаем, значит это суперпозиция, измеряем – знаем, никакой неопределенности. Но есть в квантовых экспериментах загадочный факт: когда мы не измеряем местонахождение объекта, про который мы твердо знали, когда измеряли, что этот объект частица, данные эксперимента совершенно определенно показывают, что объект – волна. То есть получается, что наши знания здесь не причем, и элементарные частицы действительно являются одновременно и волнами, и частицами, но проявляют себя, как волны, если их «не трогать», то есть не воздействовать на них наблюдением. Дело в том, что элементарная частица настолько мала, что простое оптическое наблюдение каким-либо прибором, то есть «прикосновение» светом, определенным образом воздействует на объект наблюдения. Так что же происходит в этот момент? Физики говорят, что происходит коллапс волновой функции, и волновые свойства прекращают свое существование, а наблюдателем фиксируются свойства частицы. Но какова физическая сущность этого коллапса волновой функции?