Чи може кіт бути живим і мертвим одночасно?

У звичному для нас макросвіті тіло має тільки одне-єдине стан в певний момент часу. Наприклад, яблуко може лежати на тарілці або висіти на дереві, боксер може виграти поєдинок або програти його, або звести внічию, кіт може бути або живим, або мертвим. Але в мікросвіті такі обмеження перестають діяти.

Квантові частинки поводяться так, ніби вони знаходяться в декількох місцях одночасно. А адже і яблуко, і кіт, і всі інші макроскопічні тіла складаються з квантових частинок. Це один з яскравих парадоксів найбільш точною сучасної теорії - квантової механіки.

Квантова механіка чудово пояснювала ті явища, які відбуваються на рівні елементарних частинок, але при цьому була неефективна щодо опису систем макроскопічного масштабу, в яких добре діяла класична механіка. У свою чергу, класична механіка не могла адекватно пояснити те, що спостерігається в світі атомів, адронів, електронів і протонів. Теоретична фізика розділилася на два пласти, які ніяк не бажали узгоджуватися між собою.

Теорія, яку важко уявити

В історії науки часто буває так, що математичний апарат теорії розробляється раніше, ніж приходить розуміння його фізичного сенсу. Так сталося і цього разу. Незважаючи на витонченість математичних конструкцій квантової механіки, виникла гостра необхідність в її інтерпретації з точки зору реальності і навіть філософії. Простіше кажучи, потрібно зробити так, щоб квантовий світ можна було не тільки прорахувати і розписати в формулах, але ще й уявити.

А це, треба сказати, вельми важке заняття. Взяти хоча б фундаментальне положення квантової фізики - принцип невизначеності Гейзенберга. Він говорить, що чим максимально точніше буде виміряна швидкість квантової частинки, тим важче буде передбачити її місце розташування, і навпаки. Якби цей принцип спостерігався в повсякденному житті, то вийшло б вельми незвичайна ситуація. Припустимо, є правопорушник на автомобілі. Цей горе-гонщик може нічого не боятися і на повній швидкості їхати туди, куди йому заманеться - адже варто тільки зафіксувати швидкість машини радаром, як її становище тут же стане невизначеним. І навпаки, якщо сфотографувати автомобіль, тобто встановити його місце розташування, то проявиться жахлива похибка, яка завадить обчислити швидкість. Такі от курйози.

Елементарні частинки в квантовій механіці не мають швидкостей і координат, до яких ми так звикли. Замість них є хвильова функція, що описує так зване чисте стан системи і визначальна ймовірності характеристик частинки. При цьому сам квантовий об'єкт не розташований в якомусь конкретному місці і не переміщається туди-сюди. Він ніби розмазаний в просторі і знаходиться відразу скрізь і у всіх можливих станах одночасно. Це називається суперпозицією. При взаємодії таких частинок утворюються «заплутані» стану з єдиною системою і загальної хвильової функцією.

Перед фізиками став ряд питань: що являють собою квантові частинки в реальності? Що буде з хвильової функцією при реєстрації квантів в певній точці? І найголовніше, яку роль у всьому цьому відіграє спостерігач?

Копенгагенська інтерпретація

У 1927 році в Копенгагені спільними зусиллями Нільса Бора і Вернера Гейзенберга було сформульовано тлумачення квантової теорії. Зокрема, воно стосувалося таких найважливіших питань, як корпускулярно-хвильовий дуалізм і, особливо, вимірювання (спостереження).

Згідно копенгагенской інтерпретації, хвильова функція містить абсолютно всі дані про стан квантових об'єктів. Однак вона описує не самі по собі елементарні частинки, а їх властивості, які проявляються на макрорівні. Усередині частинок немає прихованих характеристик, які визначають, коли їм розпадатися або де з'являтися при реєстрації. На хвильову функцію впливають лише такі процеси, як унітарна перетворення (виходить з рівняння Шредінгера) і процес спостереження.

Наріжним каменем копенгагенской інтерпретації є саме процес квантового вимірювання. Коли експериментатор спостерігає частинку в конкретному місці, то ймовірність її знаходження в стороні - практично нульова. Тобто хвильова функція блискавично концентрується у вельми маленької області. Цю подію називають колапсом хвильової функції.

Як наочний приклад колапсу можна навести такий простий експеримент. Припустимо, у нас є посріблена скляна пластина, яка відображає і пропускає рівно половину вихідного світлового потоку, який на неї падає. Нехай на цю пластину падає всього лише один фотон. Його хвильова функція розділиться на відображену і пройдену хвилі. Якщо на цьому хвильовому шляху поставити два фотодатчика, то активізується тільки один з них, бо фотон виявиться або ліворуч, або праворуч від посрібленою пластинки, тобто або відіб'ється, або пройде через неї. Ймовірність такої реєстрації - 50%, і це абсолютно випадковий процес.

На жаль, навіть Копенгагенська інтерпретація не дає відповіді на питання, що ж таке хвильова функція - реальна сутність або математичний інструмент для прорахунку ймовірностей? Але все ж дана інтерпретація здобула найбільшу популярність у фізиків, і її монополія тривала досить довго. Та й зараз її підтримують більшість вчених. Як би там не було, Нільс Бор вважав, що головне - прорахувати і передбачити результати, а інше - роздуми - відноситься вже не до науки, а до філософії.

Кіт Шредінгера

Недоліки квантової механіки по відношенню до макросвіту дуже турбували Ервіна Шредінгера, одного з творців цієї теорії. Для того щоб продемонструвати її неповноту, він придумав уявний експеримент. Якщо спробувати пояснити простими словами суть експерименту, то вийде наступне.

У сталевій камері замкнений кіт. Камера містить механізм з лічильником Гейгера, в якому є радіоактивна речовина. Його кількість настільки мізерне, що за одну годину може розпастися тільки один атом, але з такою ж вірогідністю може і не розпастися. Якщо ядро розпадеться, то зчитує детектор передасть сигнал на реле, активирующее молот, який вдаряє по колбі з синильною кислотою. Отже, при розпаді ядра кіт загине, а якщо розпаду не буде, то він залишиться живий-здоровий.

Квантова механіка показує, що якщо над атомним ядром (а відповідно, і над котом) не здійснюється спостереження, то воно перебуває в суперпозиції. Усунути цю невизначеність може тільки спостереження. Але до того як спостерігач відкриє камеру, система «кіт-радіоактивний елемент» знаходиться в «розмазати» стані з однаковою ймовірністю 50%. Виходить, що кіт і живий, і мертвий одночасно. Зрозуміло, насправді такого не може бути, бо немає проміжного стану між життям і смертю, а значить, квантова механіка має ваду.

Копенгагенська інтерпретація «викручується» з цього парадоксу таким чином: якщо накласти макроскопічну хвильову функцію на квантовий стан, то суперпозиція руйнується і експериментатор побачить або живого, або мертвого кота. Вибір стану розпаду ядра (і стану тварини) відбувається не в момент відкриття камери, а саме тоді, коли ядро потрапляє в детектор.

Критикуючи квантову механіку, великий Альберт Ейнштейн якось сказав: «Бог не грає в кості». Нільс Бор йому відповідав: «Ейнштейн, не вказуйте Богу, що робити». Спори щодо цього тривають. Для простого обивателя квантова теорія нехай і вдала, але неймовірна. Як би там не було, на сьогоднішній день у фізиці немає іншої концепції, яка могла б описати дивовижний світ елементарних частинок більш точно. Чи не правда?