Виктор Долонько (dolonyko) wrote,
Виктор Долонько
dolonyko

Category:

Как всё запутано в микромире!

Герман ДЬЯКОНОВ *
Рисунок Сергея САВИНА

Есть вполне обоснованное мнение, что понять квантовую физику, даже квантовую механику, ее простейшую часть, почти невозможно. Я не очень охотно верю этому утверждению. Ведь если что-то есть «на самом деле», то это всё как-то и с чем-то происходит, а значит, это можно представить – хотя бы грубо, на уровне пальцев. Всё дело упирается в невозможность подтвердить состоятельность наших представлений. И что вовсе сбивает с толку, так это постоянное стремление ученых еще более запутать ситуацию.

К нашему с вами удовольствию надо сказать, что вопросы концептуального характера, которые были поставлены перед творцами квантовой теории их оппонентами, в том числе и Эйнштейном (куды ж без него), не нашли однозначных ответов до сих пор. Да и сама формулировка вопросов неоднозначна: у разных вопрошающих они выглядят по-разному.
Вот главные из них. На первом месте квантовая запутанность, на втором – проблема «кота Шрёдингера». Или наоборот. Начнем со второго места: так обозначается ситуация, придуманная одним из главнейших авторов квантовой теории, Эрвином Шрёдингером. В некотором ящике заперт кот. Там же имеются радиоактивное атомное ядро и сосуд с ядовитым газом. Атомное ядро в течение некоторого отрезка времени может с вероятностью 50 % распасться. Если оно распадется, сосуд с газом откроется – и кот погибнет; если нет, то и кот жив.

[Spoiler (click to open)]
Вот проходит назначенное время. Не будем пока ящик открывать. Кот жив? Как говорят у нас на Руси, «или-или». А вот у них, в бесовской квантовой теории, говорят «и-и». И причина здесь в том, что, с точки зрения этой теории, все частицы, из коих собрана Вселенная, – не совсем частицы, а скорее «волницы», то есть и частицы, и волны одновременно.
У волн свои причуды. Возьмем волновое уравнение (наплюйте на понимание, уловите характер). Решения таких уравнений обладают свойством суперпозиции, а по-русски – наложения. Это значит, что если наша система имеет несколько возможных состояний (у нас их два: жив, мертв), то и линейная функция, да хотя бы просто сумма соответствующих решений также является возможным состоянием. Поэтому у нас уже три состояния: жив, мертв и живо-мертв. Квантовая теория гласит, что атомное ядро находится во всех своих возможных состояниях одновременно. Dura lex sed lex.
До открытия ящика система находится в состоянии «ядро распалось, кот мертв» с вероятностью 0,5 и с такой же вероятностью – в состоянии «ядро цело, кот жив». Согласно принципу суперпозиции, кот и жив, и мертв одновременно.
Это цветочки. Ягодки называются «друг Вигнера». Вигнер – американский физик венгерской национальности еврейского происхождения, как почти все американские физики (с точностью до национальности). Вот Вигнер открыл коробку и увидел живого кота. Система перешла в состояние «ядро цело, кот жив». Но в коридоре у Вигнера сидит друг, а он еще не знает, жив кот или мертв. Друг из коридора признает кота живым, когда Вигнер сообщит ему результат опыта. Но общительный венгр имеет кучу друзей (по мнению его жены, собутыльников), и они еще не признали кота живым и признают только тогда, когда им сообщат об этом. Иначе говоря, кота можно считать точно живым или точно мертвым только тогда, когда все люди во вселенной узнают, что после открытия ящика его таковым нашли. До этого момента кот, по концепции Вигнера, является и живым, и мертвым одновременно.
Мы, здравомыслящие люди, подумаем, что иногда великие физики впадают в состояние «ку-ку», и будем правы, но не в данном случае. Заглянуть в мир субатомных размеров можно лишь мысленно, через «шлем» математики. Ведь суть дела вовсе не в размерах «действующих лиц». Трудность в том, что здесь имеет место диалектический переход количества в качество: частицы, которые в классической механике, описывающей нашу повседневность, можно рассматривать как маленькие шарики, в механике квантовой рассматриваются еще и как нечто волнообразное, постоянно колеблющееся и потому плохо предсказуемое в смысле своего поведения.
Физики более или менее точно определили границу между этими двумя видами механик. Размежевание опирается на понятие действия, причем в строго определенном смысле. Это такая фундаментальная функция переменных, описывающих какую-либо механическую систему, которая полностью определяет поведение этой системы.
Я не настаиваю на понимании этого необычного понятия, просто надо помнить, что оно есть. Так вот определение «квантовая» применяется к системе тогда, когда значение действия этой системы сравнимо со значением постоянной Планка, а она равна… Короче, напишите ноль, поставьте запятую, напишите 34 нуля после нее и уж потом 6626, вот как это мало. Вот с такой мелюзгой приходится иметь дело. А отсюда одна из главных проблем нашей науки – проблема измерения параметров квантовых систем. Ведь даже самый маленький измерительный прибор так или иначе имеет макроскопические размеры, то есть соизмерим с человеческими.
Представляете, как слону измерять характеристики новорожденных мышат? Да он такого там натворит, что ни одна комиссия не признает результаты достоверными. И в силу дисгармонии масштабов к квантовой теории предъявляется требование: уметь описывать, помимо исследуемой системы, процесс измерения ее характеристик, в том числе измерительный прибор и самого исследователя, причем в терминах волновых функций всего этого исследовательского комплекса. Ведь изучаемая и изучающая компоненты процесса измерения взаимодействуют.
Конечно, можно и не создавать специальную аппаратуру, а использовать природные феномены, например, протоны и нейтроны или даже магнитное поле Земли. Но фиксировать придется то, что имеет волновой характер, а как ты волну измеришь? У нее самой по себе свойств до фиговой тучи, а тут еще интерференция и прочая головная боль. Надо учитывать, что это скорее не реальные волны, а волны вероятности: то ли дождик, то ли снег, то ли будет, то ли нет. Из-за этого случаются самые разные невероятности, например, туннельный эффект, когда, скажем, электрон с не очень большой энергией выскакивает из глубокой энергетической ямы (представьте благообразного старичка с приятной внешностью, к примеру, меня, в прыжке достигающего пятого этажа хрущевки).
Понять нельзя. Можно смириться и привыкнуть. Это я смею утверждать, стоя на плечах гигантов, среди которых Нильс Бор и Альберт Эйнштейн. Нильс Бор считал, что в микромире правит его величество случай. Эйнштейн, который в вопросах квантовой физики выступал ретроградом (впрочем, в других вопросах тоже), говорил, что Бог не играет в азартные игры. Он (Эйнштейн) считал, что и у нас, и в квантовом мире всё определено. Наблюдатель – это наблюдатель, он не часть системы.
Но следуй за мной, о читатель! Из кучи квантовых сложностей наугад вытаскиваем… ага, парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена, ЭПР! Тут же и эффект Гринберга – Хорна – Зейлингера. Всё это из-за квантовой запутанности. Представьте себе, что есть две взаимодействующие квантовые подсистемы. Взаимодействие ведь есть взаимовлияние.
Проще всех показал проблему запутанности физик Джон Белл. Вот есть некая частица, у которой некая величина (спин) равна нулю. Она распадается на две другие с половинными спинами. У одной новой частицы спин будет плюс, у другой – минус одна вторая (в сумме будет ноль, всё нормально). И так будет всегда! Растащите новые частицы хоть на разные концы Вселенной, всё равно, если по какой-то причине мы узнаем, что спин одной плюс, то другой должен быть всегда минус, ибо так гласит парадокс ЭПР.
Что же касается эффекта ГХЗ, то, в принципе, он состоит вот в чем: результаты измерений, проводимых независимо над когда-то связанными частями целого, не обязательно будут предсказуемы в каждом отдельном случае, но всегда зависят друг от друга.
Измерение влияет на реальность. Вот представьте себе сеть киосков «Мармеладофф» (название вымышленное). На склады в один день завезли один и тот же набор товаров. И любая комиссия может это подтвердить. В нашем мире товар не зависит от того, сосчитан ли он, взвешен или нет. В мире мельчайшего это не так. Результат любого измерения зависит от процесса измерения. ГХЗ утверждает, что наличие товара в киосках № 2 и 3 зависит от того, что обнаружила комиссия (измерение) в киоске № 1.
Что-нибудь понятно? Мне – ничего. То есть головой я как-то еще могу пробиться через эту запутанность (чуть не набрал «запущенность») квантового мира, а вот сердцем – никак. Что-то, видно, у меня то ли с головой, то ли с сердцем.

* Специалист по теории информатики.

Опубликовано в «Свежей газеты. Культуре» от 22 октября 2020 года, № 20 (193)
Tags: Наука
Subscribe

  • Как в Самару приезжала КГБ и что из этого вышло

    Рубрика: Наталья Эскина. Неопубликованное Наталья ЭСКИНА Фото из архива Сергея ОСЬМАЧКИНА «Докатилась Наталья Анатольевна! –…

  • След кровавый

    Михаил ПЕРЕПЕЛКИН * Чувствовать себя внутри художественного произведения прикольно и весело. Даже если оно, это произведение, обогнало тебя…

  • Всё и сразу

    Ксения ГАРАНИНА * Фото Алёны АБРОСЬКИНОЙ С 7 по 20 июня на 2-й очереди самарской набережной прошел самый масштабный…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment