fb96d58e31c3b97796db59232159a60c-800x500_c.jpg

Пожалуй, мысленный эксперимент физика Эрвина Шредингера, который известен как эксперимент с котом Шредингера — один из самых популярных в своем роде. Представьте себе коробку, в которой находится кот и ампула с ядом, открытие которой случайно — к примеру, зависит от того, распадется ли определенная частица или нет. Разумеется, коробка от нас закрыта (а кот не мяукает). Можем ли мы сказать, жив он или нет, пока не откроем коробку? В общем-то нет, так что пока коробка закрыта, кот в прямом смысле находится в состоянии «ни жив, ни мертв». И теперь физики пошли еще дальше, заменив кота в коробке... физиком, проводящим эксперименты, с шокирующими последствиями для науки.

Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые стороны различных интерпретаций квантовой механики. Но последняя версия эксперимента, с физиком вместо кота, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики правильна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в ящике. Это означает, что квантовая теория противоречит самой себе.

Этот концептуальный эксперимент с большим удовольствием обсуждался в кругах физиков более двух лет, и оставил большинство исследователей в тупике — даже с учетом того, в этой области физики к парадоксам уже все привыкли. «Я думаю, что это совершенно новый уровень странности», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Университета Чепмена в Оранге, штат Калифорния.

Авторы эксперимента, Даниэль Фраучигер и Ренато Реннер, оба из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, опубликовали его первую версию в Интернете в апреле 2016 года. Заключительный документ был опубликован 18 сентября этого года.

Странный новый мир

Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все от структуры атомов и до того, почему магниты притягиваются друг к другу. Но ее концептуальные основы продолжают оставлять исследователей в поисках ответов. Ее уравнения не могут предсказать точный результат измерения — например, положение электрона в любой момент времени — только вероятности того, что он будет находиться в определенной области.
dd2ff8fd2335945c194d42f9b1f3d484a5609b79.png
Таким образом, квантовые объекты, такие как электроны, живут в облаке неопределенности, математически закодированном в волновой функции, которая меняет форму плавно, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется свойство, такое как положение электрона в определенный момент времени, функция всегда дает одно точное значение (и снова дает то же значение, если измерить еще раз сразу же).

Наиболее распространенный способ понять это был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории — Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, и называется он копенгагенской интерпретацией — в честь города, в котором жил Бор. В ней говорится, что акт наблюдения за квантовой системы заставляет волновую функцию «коллапсировать» от кривой распределения в единую точку данных.

Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос о том, почему к квантовому атомному миру и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта) должны применяться различные правила. Но это было хотя бы обнадеживающе: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической области и дает однозначные результаты.

Теперь Фраучигер и Реннер вытряхивают физиков из этой «зоны комфорта». Их теоретические рассуждения говорят о том, что основная картина копенгагенской интерпретации, а также другие интерпретации, которые объясняют некоторые из основных предположений квантовой механики, не являются внутренне согласованными.

Что в коробке?

В 1967 году венгерский физик Евгений Вигнер предложил свою версию парадокса, в которой он заменил кошку и яд на друга-физика, который занял место кота в коробке вместе с прибором, который мог случайно вернуть один из двух результатов: к примеру, подкинуть монетку и сказать, что выпало — «орел» или «решка». Разрушается ли волновая функция, когда друг Вигнера в коробке узнает о результате? С одной стороны — да, ведь состояние системы теперь известно. Но если мы применим законы квантовой механики к самому Вигнеру, то неопределенность сохраняется — значит, волновая функция продолжает работать, по крайней мере до тех пор, пока Вигнер не выпустит друга из коробки.

Фраучигер и Реннер пошли еще дальше. У них есть два Вигнера, каждый из которых проводит эксперимент с другом-физиком, которые сидят в коробках и имеют одну из двух квантовых запутанных монет (то есть их состояния связаны — грубо говоря, если на одной монетке выпадет решка, то на другой обязан выпасть орел). Один из двух друзей (назовем ее, разумеется, Алиса) может бросить монету — соответственно, друг в соседней коробке (которого зовут, конечно же, Боб) тут же узнает результат этого броска. Допустим, у Алисы выпала «решка», тогда у Боба — «орел». Теперь Вигнеры открывают коробки, и в части случаев они действительно увидят у Алисы «решку», а у Боба — «орла», но может быть так, что они увидят обратное, то есть у Алисы будет «орел». Как так? Все просто — при броске волновая функция разрушается случайным образом, но так как Вигнеры результаты броска не знают, то... у них случайность своя! Поэтому для Алисы и ее Вигнера монетка вполне может упасть разными сторонами, что и дает нам парадокс.

d41586-018-06749-8_16132794.png

Увы — эксперимент пока так и остается мысленным, ибо наша техника до такого уровня еще не развилась. Тем не менее, вполне возможно, что два квантовых компьютера сыграют роль Алисы и Боба: логика эксперимента требует только того, чтобы они знали правила квантовой физики и принимали решения на их основе — но, увы, опять же пока что квантовых компьютеров с такой мощностью не существует.

Дуэльные интерпретации

Споры насчет этого парадокса ведутся до сих пор. Так, некоторые исследователи полагают, что квантовая механика не может давать правильные результаты для макрообъектов (таких, как, например, люди). У Лейфера на этот счет другое мнение. Некоторые интерпретации квантовой механики уже допускают представления о реальности, зависящие от перспективы. Это может быть менее неприятно, чем признать, что квантовая теория не применима к сложным вещам, таким как люди, говорит он.

Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Института теоретической физики в Ватерлоо, говорит, что выход из парадокса может скрываться в том, что Боб узнал состояние монеты Алисы. По его словам, возможно, что несоответствие возникает из-за того, что Боб не интерпретировал результат Алисы должным образом. Но он признает, что пока не нашел решения.

На данный момент физики, вероятно, продолжат обсуждение. «Я не думаю, что мы это поняли», — говорит Лейфер.