Карантин

– Так вот, кошка Шредингера – это иллюстрация проблемы измерения в квантовой механике. Квантовая механика описывает микроскопические системы – субатомные частицы, атомы, молекулы – при помощи математического формализма под названием «волновая функция». По волновой функции можно предсказать, какова вероятность получить те или иные результаты при измерениях над вашей системой.

Например, представьте себе приготовленный особым образом ион серебра, проходящий через магнитное поле и после этого налетающий на флуоресцентный экран. Квантовая механика предсказывает, что в половине случаев вы будете видеть на экране вспышку, указывающую, что ион отклонился вверх в магнитном поле, а в половине случаев – такую вспышку, как будто он отклонился вниз. Это можно объяснить тем, что у иона есть спин, из-за которого он и взаимодействует с полем.

Ион получает толчок вверх или вниз в зависимости от того, как направлен спин относительно поля. Значит, наблюдая вспышки на экране, вы измеряете спин иона.

Теперь допустим, что у вас есть радиоактивный атом с периодом полураспада в один час. Наведите на него детектор частиц, который соединен с механизмом, разбивающим бутылку с ядовитым газом. Если атом распадается, детектор это фиксирует, бутылка разбивается, и кошка умирает. Заключите все это хозяйство в черный ящик, а через час загляните туда. Если вы будете повторять эксперимент снова и снова, каждый раз с новым атомом и новой кошкой, квантовая механика предсказывает, что в половине случаев вы найдете кошку живой, а в половине случаев – мертвой. Увидев, жива ли кошка, вы произвели измерение того, распался ли атом.

– Ну и в чем проблема?

– Проблема вот в чем. До того, как вы произвели измерение, волновая функция не говорит вам, каким будет его исход. Она говорит только, что один из двух исходов реализуется с вероятностью пятьдесят на пятьдесят. Но после того, как вы произвели измерение, любое последующее измерение над этой системой даст тот же результат. Если кошка была мертва, когда вы ее увидели, она так и останется мертвой. С точки зрения волновых функций акт измерения каким-то образом превращает исходную смесь двух волн, представлявших смесь двух возможностей, в чистую волну – так называемое чистое состояние, – которая уже представляет только одну возможность. Это и называется «стягиванием» волновой функции – или «схлопыванием» системы.

Но почему процесс измерения должен отличаться от других процессов? Почему он обязан стягивать волновую функцию? Почему измерительное устройство, состоящее из отдельных атомов, каждый из которых сам подчиняется тем же законам квантовой механики, заставляет смесь возможностей свестись к одной из них? Если считать измерительное устройство еще одной частью системы, уравнение Шредингера утверждает, что после акта измерения это устройство тоже будет находиться в смешанном состоянии – так же как и любой объект, с которым оно взаимодействует. Волновая функция бутылки с газом будет смесью «разбитого» и «целого» состояний. Волновая функция кошки будет смесью «живого» и «мертвого» состояний. Но почему же мы всегда видим кошку в одном из двух чистых состояний – живой или мертвой?

– Может быть, вся теория неверна?

– Не так все просто. Квантовая механика – самая продуктивная научная теория из когда-либо созданных, но она невозможна без постулата о стягивании волновой функции. Если бы теория была ошибочна, не было бы микроэлектроники, лазеров, оптроники, наномашин, девяноста процентов химической и фармацевтической промышленности. Квантовая механика подтверждается всеми экспериментами, которые когда-либо проводились, но только если принять допущение, что существует вот такой особый процесс под названием «измерение» и он подчиняется не тем законам, что другие процессы.

Цель исследований проблемы измерения в квантовой механике и состоит в том, чтобы точно установить, что же такое измерение и почему оно так отличается от других явлений. Когда именно стягивается волновая функция – когда срабатывает детектор частиц, или когда разбивается бутылка, или когда умирает кошка? Или в тот момент, когда кто-то заглядывает в ящик?

Можно махнуть на все это рукой и сказать – квантовая механика правильно предсказывает вероятности конечных, видимых результатов, так чего же еще можно требовать? Атомы обнаруживают себя только при взаимодействии с научными приборами, так что если квантовая механика дает возможность правильно подсчитать, каков будет процент вспышек в определенном месте экрана или процент смертности кошек в ящике, то ничего большего ожидать нельзя.