Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Вне квантового мира подобные сложности не возникают, потому что там нет состояний с несколькими возможными значениями какой-либо величины и, соответственно, нет проблемы, как описать переход системы в состояние, отвечающее одному измеренному значению. Измерение там всего лишь фиксирует свойство, которое система имела и «сама по себе», до измерения. В квантовой же механике измерение сопровождается стягиванием потенциальных возможностей к одной актуальной; это меняет состояние системы, но способ, которым система переходит в новое состояние, непонятен. Это непонятное включает в себя и несколько тревожащую нелокальность. Например, электрон, имеющий возможность распространяться из одной точки в другую различными путями – скажем, через несколько отверстий, проделанных в экране, – описывается решением уравнения Шрёдингера, в котором все возможности его распространения присутствуют одновременно, каждая со своим коэффициентом. Измерение же координаты электрона может обнаружить его, например, проходящим через отверстие номер 3. Непосредственно перед измерением имелась вероятность обнаружить его проходящим через любое из отверстий, но одновременно со срабатыванием детектора вблизи отверстия 3 начисто исчезают шансы обнаружить его вблизи отверстий 1 и 2: волновая функция, которая содержала в себе возможности обнаружения электрона в разных местах в пространстве, внезапно изменилась и в той части, которая касается отверстий 1 и 2. Но каким же способом электрон, попавшийся в один из детекторов, передает в окрестности других детекторов (которые могут находиться далеко) информацию «в этот раз я точно не у вас»?
Правило Борна тем не менее работает: его практическое применение к результатам измерений неизменно сопровождается успехом, несмотря на зияющие логические дыры и, по словам Белла, «непрофессионально расплывчатое и неоднозначное в истолковании» понимание измерений, сопутствующее этому правилу. Со времени создания квантовой механики мы были свидетелями «столетия успеха» (без малого столетия в тот момент, когда я это пишу). Физики при этом в массе своей следовали рецепту «заткнись и вычисляй», что означает «решай уравнение Шрёдингера и применяй правило Борна в подходящих случаях, но не задавай уточняющих вопросов». Этот рецепт долго пользовался, да и продолжает пользоваться популярностью отчасти из-за практических обстоятельств, отчасти из-за авторитета Бора (который еще появится за следующим поворот этой прогулки); Бор не приветствовал дискуссий по поводу смысла квантовой механики за пределами близких ему идей (возможно, полагая, что его собственных дискуссий с Эйнштейном на эту тему было достаточно). Рецепт остается полностью пригодным для применения квантовой механики, но его массовое внедрение в качестве руководства для понимания квантовой механики сыграло свою роль в том, что имеющиеся проблемы не обсуждались, а заметались под ковер и ситуация с пониманием далека от идеала.
Волновая функция – не поле в пространстве
А проблема не одна. Сама волновая функция – это ненаблюдаемый абстрактный объект; более того, она даже не задана в физическом трехмерном пространстве. Например, волновая функция, описывающая атом гелия, зависит от трех точек в пространстве – положений двух электронов и ядра; зависимость от одной из них (положения ядра) можно изгнать несложным математическим трюком, но и после этого остается волновая функция Ψ(q1,q2), зависящая от двух точек. Да, она полностью определяется уравнением Шрёдингера, но спрашивать, каково ее значение, можно только указав две точки. Решив уравнение Шрёдингера, мы ничего не сможем сказать в ответ на вопрос, каково значение этой функции в какой-то выбранной точке q. В отличие, скажем, от магнитного поля, у волновой функции просто нет никакого значения ни в какой точке физического пространства[265]. Эту сложность с самого начала полностью осознавал Шрёдингер, и на это же место нажимали и все критики его волновой механики. И не только критики, но и те, кто сразу высоко ее оценил. В феврале 1927 г., т. е. примерно через год после появления уравнения Шрёдингера, Эйнштейн писал Лоренцу:
Квантовая теория подверглась полной шрёдингеризации, из-за чего имеет много практических успехов. Но это тем не менее не может быть описанием реального процесса. Здесь тайна.
Причина успеха полной шрёдингеризации – тайна
Рис. 11.3. Треки элементарных частиц в пузырьковой камере. Пролетающие заряженные частицы вызывают испарение жидкости, предварительно приведенной в метастабильное состояние; возникающие в жидкости микроскопические пузырьки разрастаются до размеров, позволяющих их сфотографировать
Нелегко придать смысл теории, в которой не постулируется совсем ничего, что «населяло» бы наше пространство и допускало бы определенную степень локализации. Мы настаиваем на том, чтобы имело смысл говорить о локальных элементах реальности (таких как электроны, протоны, нейтроны, а заодно мюоны и все остальные), относительно самостоятельно существующих в нашем трехмерном пространстве и вступающих в разнообразные взаимодействия друг с другом[266]. Толщина треков элементарных частиц, наблюдаемых в пузырьковых камерах (рис. 11.3), в десятки тысяч раз больше размеров атома, но все же движение каждой частицы – это череда событий в пространстве, очевидным образом отделенных от аналогичных событий, происходящих с другими частицами. Если одновременно с этим мы считаем, что ничего, кроме волновой функции, в самой теории не требуется, то именно из волновой функции должны тем или иным образом следовать утверждения о положении и движении чего-либо в пространстве – где, однако, сама волновая функция не определена. «Понимание» квантовой механики требует мостиков от абстракций к чему-то наблюдаемому, в терминах чего, собственно, мы и собираемся описывать мир. Предложения по организации такого понимания называются интерпретациями квантовой механики. Как устроены эти «мостики» и что имеет место в реальности? Представителем каких элементов реальности вообще является волновая функция? Это – Главная тайна квантовой механики.
На этом заканчивается абстрактная часть и начинается сложная часть этой квантовой прогулки.
*****Реальны все!.Аспирант Уилера по имени Хью Эверетт III ушел из науки даже не после защиты диссертации, а за некоторое время до (правда, имея на руках написанную диссертацию) и трудоустроился на сверхсекретную аналитическую работу в интересах Пентагона[267]. Черновик же его диссертации Уилер рискнул отвезти весной 1956 г. в Копенгаген, чтобы обсудить там с Бором. Основу работы составляла идея, что никакого схлопывания волновой функции никогда не происходит. Никакие альтернативы,
