В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер опубликовал критический объёмный обзор того, что он назвал «текущей ситуацией» в относительно новой теории квантовой механики. В основном обзор Шредингера, написанный на немецком языке, написан скучным научным языком и малоинтересен для кого-либо за пределами узкого академического мира квантовой физики. Но в одном коротком абзаце, написанном с явной иронией, он высказал смелую идею, которая 90 лет спустя продолжает находить отклик в популярной культуре. Этот абзац касался кота, давшей имя теории Шредингера. Как малоизвестный спор о математически сложной и запутанной теории физики стал частью общественного сознания как необычное исследование человеческой психики? В этой статье рассказывается об этом.
Вот что написал Шредингер:
Можно даже придумать совершенно нелепые случаи. Кот заперт в стальной камере вместе со следующим дьявольским устройством (которое должно быть защищено от прямого вмешательства кота): в счетчике Гейгера находится крошечное количество радиоактивного вещества, настолько малое, что, может быть, в течение часа один из [радиоактивных] атомов распадется, но с равной вероятностью, может быть, ни один; если это произойдет, трубка счетчика разряжается и через реле срабатывает молоток, который разбивает маленькую колбу с синильной кислотой. Если оставить всю эту систему в покое на час, можно сказать, что кот все еще жив, если за это время ни один атом не распался. Первый атомный распад отравил бы ее. [Квантовая волновая функция] всей системы выражала бы это тем, что в ней живая и мертвая кот (простите за выражение) смешались бы или размазались бы в равных частях.
Хотя это был только «мысленный» эксперимент, парадокс кота Шредингера был обречен присоединиться к собаке Павлова в научном бестиарии странностей.
Чтобы понять, что имел в виду Шредингер, нам нужно немного разобраться. Природа «дьявольского устройства» Шредингера на самом деле не важна для его аргументации. Его цель состоит просто в том, чтобы усилить событие атомного масштаба — распад радиоактивного атома — и перенести его на более привычный масштаб живой кота, запертой в стальной коробке. Теория, которая описывает объекты и события, происходящие на уровне атомов и субатомных частиц, таких как электроны, — это квантовая механика. Но в этой теории атомы и субатомные частицы описываются не как крошечные, самодостаточные объекты, движущиеся в пространстве. Вместо этого они описываются с помощью квантовых волновых функций, которые отражают совершенно странный аспект их наблюдаемого поведения. При определенных обстоятельствах эти частицы могут также вести себя как волны.
Эти контрастные виды поведения не могут быть более резкими или, казалось бы, несовместимыми. Частицы имеют массу. По своей природе они «находятся здесь»: они локализованы в пространстве и остаются локализованными, когда перемещаются отсюда туда. Бросьте много частиц в небольшое пространство, и они, как шарики, будут сталкиваться, отскакивая друг от друга в разных направлениях. Волны, с другой стороны, распространяются по пространству — они «нелокальны». Пропустите их через узкую щель, и они, как волны в море, проходящие через проем в причальной стене, будут распространяться за ее пределы. Физики называют это дифракцией. Совместите несколько разных волн, и они сольются, образуя то, что физики называют суперпозицией. Пики и впадины всех разных волн складываются. Там, где пик встречается с пиком, в результате получается более высокий пик. Там, где впадина встречается с впадиной, в результате получается более глубокая впадина. Там, где пик встречается с впадиной, они оба уменьшаются, и, если они оказались одинаковой высоты и глубины, они полностью компенсируют друг друга. Физики называют это интерференцией.
К 1935 году математическая формулировка квантовой механики была относительно зрелой и признавалась большинством физиков как завершенная. Но теория не говорит, где должны заканчиваться все квантовые странности. Применительно к радиоактивному атому квантовая теория гласит, что через час волновая функция атома представляется как равное смешение — суперпозиция — распавшихся и нераспавшихся атомов.
Итак, кот мёртв или жив? Мы не можем этого знать, пока не поднимем крышку коробки и не посмотрим.
Мы могли бы остановиться на этом, но мы знаем, что взаимодействие между атомом и дьявольским устройством также должно описываться квантовой механикой, по крайней мере на ранних стадиях. Если мы решим воспринимать теорию буквально, то расширение ее уравнений с целью включения всего устройства означает, что волновая функция превращается в суперпозицию распавшегося атома и сработавшего устройства, а также нераспавшегося атома и не сработавшего устройства. В своем обзоре Шредингер ввел термин «запутанность» для описания этой ситуации. Радиоактивный атом становится запутанным с устройством.
Если мы логически расширим эту запутанность за пределы устройства, чтобы включить в нее кота, то, как объяснил Шредингер, мы получим волновые функции, которые представляют собой суперпозицию распавшегося атома, сработавшего устройства и мертвой кота, а также нераспавшегося атома, не сработавшего устройства и живой кота. Таким образом, живая кот и мертвая кот кажутся «смешанными или размытыми в равных частях».
Так кот жив или мёртв? Мы не можем этого знать, пока не поднимем крышку коробки и не посмотрим. Если мы будем придерживаться квантовой теории, распространенной на кота, то, предположительно, волновая функция «схлопывается» в момент, когда мы открываем коробку, и мы обнаруживаем, что кот жив или мёртв. Но здесь есть небольшая проблема, которая имеет огромные последствия. Нигде в математической формулировке квантовой механики вы не найдете уравнения, описывающего этот коллапс. Нам остается только предполагать, что он происходит.
Хорошо, но можем ли мы хотя бы предсказать судьбу кота, прежде чем поднять крышку? Квантовая теория говорит: нет, не можем. Согласно принятой интерпретации, суперпозиция двух может бытьстей отражает относительные вероятности получения одной или другой. Но эти вероятности превращаются в реальные результаты только тогда, когда предполагается, что волновая функция коллапсировала, когда суперпозиция одной может бытьсти и другой превращается в одну реальность или другую. Казалось бы, сам акт наблюдения буквально убивает кота, или нет.
Это ключевой момент. Это не то же самое, что подбросить «честную» монету и получить орла или решку с равной вероятностью. Обычно мы не стали бы описывать монету как находящуюся в суперпозиции орла и решки, когда она летит в воздухе, хотя в принципе ничто не мешает нам это сделать. Мы не делаем этого, потому что, конечно, знаем, что обе стороны монеты продолжают существовать без изменений, когда мы подбрасываем ее в воздух и когда она вращается, падая на землю. Но квантовая механика работает не так. В настоящее время существует множество квантовых экспериментов, которые демонстрируют, что предположение о том, что объекты, такие как атомы или электроны, существуют в каком-то состоянии до того, как их наблюдают, может дать предсказания, которые противоречат как квантовой теории, так и результатам экспериментов. Мы просто не можем обойтись без суперпозиции или вероятностей. Нам нужна эта странность.
Хотя большинство физиков, по-видимому, приняли аргумент о том, что квантовая механика предоставляет полную теорию отдельных квантовых объектов и событий, были и некоторые заметные несогласные. Альберт Эйнштейн никогда не был доволен последствиями квантовой теории для закона причины и следствия, а также прибеганием к вероятностям, известным заявлением о том, что Бог «не играет в кости». Ранее, в 1935 году, Эйнштейн и его коллеги из Принстона Борис Подольский и Натан Розен опубликовали знаковую статью, в которой утверждали, что квантовая механика не может считаться полной теорией. Чего-то важного не хватало. Хотя они не соглашались в деталях, Эйнштейн и Шредингер были едины в своем мнении, и их переписка в течение лета 1935 года подтолкнула Шредингера к знаменитому мысленному эксперименту с котом.
Шредингер понимал, что ни при каких обстоятельствах его кот не может считаться одновременно живой и мертвой. На его взгляд, его парадокс раскрывал явную абсурдность квантовой теории не тем, что «квантовая теория утверждает», что суперпозиция, состоящая из живого и мертвого кота, является реальной может бытьстью, а тем, что то, чего квантовая теория не говорит, может привести к логическому абсурду. Эйнштейн ответил: «… ваш кот показывает, что мы полностью согласны».
И на этом дело на время улеглось. Парадокс с котом был ограничен одним абзацем в длинной обзорной статье, и несогласие Шредингера не произвело большого впечатления на большинство физиков, включая тех, кто тратил время на размышления о значении квантовой теории. Он сохранился в переписке между Эйнштейном и Шредингером до начала 1950-х годов и вновь появился в 1957 году во время конференции физиков и философов, состоявшейся в Бристоле, Англия.
Теперь дьявольский механизм включал в себя поражение кота электрическим током (или нет)
В дискуссии, представленной в материалах конференции, американский физик Дэвид Бом воскресил кота Шредингера. К этому времени парадокс эволюционировал и основывался на одном фотоне (частице света), проходящем (или не проходящем) через полупрозрачное (или «одностороннее») зеркало. Как и радиоактивный атом, фотон имеет 50/50 шансов пройти через зеркало или быть отраженным им. Прохождение фотона запускает дьявольский механизм, в котором кот убивается из пистолета.
Парадокс вновь появился в 1965 году в эссе американского философа Хилари Путнэма под названием «Философ смотрит на квантовую механику». Фотон и полупрозрачное зеркало остались, но дьявольский механизм теперь включал в себя поражение кота электрическим током (или нет). Путнэм пришел к выводу, что «на сегодняшний день не существует удовлетворительной интерпретации квантовой механики».
То, что произошло дальше, увлекательно. В 1972 году, исследуя специальную теорию относительности Эйнштейна для книги, которую она писала, американская писательница-фантаст Урсула Ле Гуин наткнулась на упоминание о коте Шредингера. Как написал философ Роберт Крис в статье 2024 года, она сразу же «была очарована подразумеваемой неопределенностью и оценила фантастический характер образа Шредингера». Мы не можем быть уверены в точности событий и временных рамок, поскольку Ле Гуин читала очень много, но не вела систематических записей, однако это «наилучшее предположение» Джули Филлипс, которая занята написанием авторизованной биографии Ле Гуин, которая будет опубликована в апреле 2026 года. По просьбе своей героини «спасти ее от стервятников», Филлипс провела много глубоких интервью с Ле Гуин перед смертью писательницы в 2018 году. Они договорились, что биография будет опубликована посмертно.
В своем рассказе «Кот Шредингера» (1974) Ле Гуин представляет версию Бома парадокса, связанного с фотоном, полупрозрачным зеркалом и ружьем. В диалоге между безымянным рассказчиком и собакой по кличке Ровер Ле Гуин написала:
«… Мы не можем предсказать поведение фотона, и, следовательно, после того, как он поступил, мы не можем предсказать состояние системы, которое он определил. Мы не можем этого предсказать! Бог играет в кости с миром! Так что прекрасно продемонстрировано, что если вы желаете уверенности, любой уверенности, вы должны создать ее сами!»
«Как?»
«Конечно, подняв крышку ящика», — сказал Ровер…
Шлюзы открылись. С этого момента кот Шредингера регулярно появляется в художественной литературе. Не только в научной фантастике, но и в широком спектре рассказов и романов, фильмов, пьес, телевизионных шоу, стихов и музыки. Развитие физики в начале 1980-х годов одновременно вызвало бурный интерес к популярной научно-популярной литературе, такой как книга Джона Гриббина «В поисках кота Шредингера» (1984).
Культурная привлекательность кота заключается в вопросах «что, если», которые она вызывает. Она побуждает нас размышлять о последствиях наших человеческих выборов. Что, если мы решим не смотреть? Если мы не смотрим, можно ли вообще говорить о существовании кота? Наше решение поднять крышку похоже на встречу с развилкой на дороге. Мы выбираем путь. Как американский поэт Роберт Фрост, мы можем выбрать путь, по которому ходят реже. Но что, если бы мы выбрали другой путь? Фильм «Скользящие двери» (1998) рассказывает две параллельные истории: одна разворачивается, когда Хелен Куилли (Гвинет Пэлтроу) опаздывает на поезд в лондонском метро, а вторая — когда ей удается сесть в него. Жизнь Куилли складывается совершенно по-разному в зависимости от того, успевает она за скользящими дверями и садится в поезд или нет. То, что такой тривиальный «момент скользящих дверей» может глубоко изменить ход нашего будущего, вызывает глубокое беспокойство.
Но это еще не все. Как сама Ле Гуин заметила в своем рассказе, в действии поднятия крышки, по-видимому, нет ничего особенного, а квантовая механика умалчивает о том, где в цепочке событий заканчивается странность. Она написала: «Но почему открытие коробки и взгляд внутрь сводят систему обратно к одной вероятности — живая кот или мертвая кот? Почему мы не включаемся в систему, когда поднимаем крышку коробки?» Может быть, мы похожи на кота, но заперты в гораздо большей коробке, которую мы называем реальностью? Если да, то кто смотрит? И что произойдет, когда они поднимут крышку?
Если действие посмотра внутрь коробки не разрушает волновые функции системы, то логично, что наблюдатель, в свою очередь, должен оказаться вовлеченным в суперпозицию. «Вот мы и будем, — писала Ле Гуин, — смотреть на живую кота и… смотреть на мертвую кота». Если вы тот, кто смотрит, то теперь будет еще одна суперпозиция, включающая две версии вас.
В этот момент у нас может возникнуть соблазн обратиться к совершенно другой интерпретации квантовой механики. Если математика не учитывает коллапс волновых функций, зачем предполагать, что он вообще происходит? Почему бы не предположить, как предлагала Ле Гуин, что вы запутываетесь в системе, когда поднимаете крышку? Поскольку никто никогда не испытывал странного ощущения сосуществования с несколькими версиями себя, каждая из которых наблюдает разные события, мы могли бы далее предположить, что действие поднятия крышки «разделяет» Вселенную на две параллельные версии. В одной вселенной одна версия вас наблюдала мертвую кота. В другой вселенной другая версия вас наблюдала живую кота. Нет никакого странного ощущения, потому что эти разные вселенные разошлись, и вы совершенно не знаете о других параллельных версиях себя.
Это так называемая интерпретация «множественных миров», предложенная в 1957 году американским физиком Хью Эвереттом III. Она предлагает нам мультивселенную параллельных может бытьстей. Мультивселенная позволяет рассматривать гораздо более широкий и сложный спектр «что, если» вопросов, выходящих за рамки бинарных вопросов типа «живой/мертвый», связанных с моментом «скользящих дверей». Что, если последствия ваших выборов накапливаются с течением времени и способствуют изменению не только ваших будущих обстоятельств, но и всей вашей личности?
Существует ли в мультивселенной может бытьстей множество очень разных версий вас, которые ведут себя по-разному и живут разными жизнями? Возможно, в одной из этих вселенных вы гуманны и добры, но бездомны и вынуждены просить милостыню на углах улиц. Но в другой вы — бесчувственный технологический миллиардер, угрожающий подорвать принятый мировой порядок. Такие вопросы с большим эффектом исследуются в романе Блейка Крауча «Темная материя» (2016), который был адаптирован для телевидения и транслировался в прошлом году на Apple TV+.
Кот Шредингера из популярной культуры питает наше врожденное человеческое стремление к тайне и дает волю смелым полетам воображения, которые помогают нам исследовать, что делает нас «нами». И, что примечательно, она утверждает, что делает это во имя науки, потому что так «говорит квантовая теория». Кто бы мог подумать, что физика может быть такой увлекательной?
Это не означает, что кот буквально жив и мёртв одновременно
Увы, большинство физиков придерживаются более трезвого взгляда. В 1920-х и 1930-х годах основатели квантовой механики долго мучились над этими проблемами интерпретации и пришли к решениям, которые многие сочли удовлетворительными, хотя некоторые (например, Эйнштейн и Шредингер) считали их глубоко неудовлетворительными.
Что на самом деле представляют собой суперпозиция и, в более широком смысле, квантовая волновая функция? Одно из мнений, наиболее тесно связанное с датским физиком Нильсом Бором и известное в целом как «копенгагенская интерпретация», заключается в том, что это всего лишь вычислительные устройства, которые не следует понимать буквально. Они не являются реальными: они чисто символические. Суперпозиция просто представляет то, что мы знаем о системе «кот в коробке», и мы используем уравнения квантовой механики для вычисления вероятностей различных ожидаемых результатов.
Таким образом, когда мы говорим о том, что кот находится в суперпозиции жизни и смерти, это не означает, что кот буквально живой и мертвый одновременно. На самом деле, мы не знаем, в каком состоянии действительно находится кот, и как описать его реальное физическое положение, потому что мы не можем с уверенностью сказать, когда радиоактивный атом распадется, или будет ли фотон пропущен или отражен. Но если мы представим эту систему как суперпозицию, мы знаем, что наши предсказания будут согласовываться с экспериментом. Большинство физиков, по крайней мере те, кто утруждает себя размышлениями над этими вопросами, придерживаются этой точки зрения. Возможно, именно поэтому их нечасто приглашают на вечеринки.
Из этого следует, что не имеет значения, в какой именно точке цепочки событий мы объявляем, что странности заканчиваются. Неважно, где мы разместим «разрез Гейзенберга», названный в честь немецкого физика Вернера Гейзенберга (известного благодаря принципу неопределенности), точку, в которой мы перестаем использовать квантовую механику и переходим к более знакомым теориям физики, опубликованным более 300 лет назад Исааком Ньютоном. Это точка, в которой мы предполагаем, что волновая функция коллапсирует, и мы заменяем «и» квантового суперпозиции на «или» фактических результатов.
Гейзенберг был членом группы Бора, хотя в некоторых своих высказываниях он существенно отклонялся от философии Бора. По мнению Гейзенберга, не имеет значения, где мы решим разместить разрез. Но кот — это не радиоактивный атом и не фотон. Она явно не принадлежит к квантовой сфере, и уравнения квантовой механики, даже интерпретируемые символически, не должны к ней применяться. Бор предпочитал размещать разрез в точке «необратимого акта усиления», связанного с ранними стадиями работы дьявольского устройства. То, что мы не можем точно сказать, где и когда в этом процессе заканчивается странность, не опровергает вывод о том, что это происходит задолго до того, как мы добираемся до кота.
Шредингер заканчивает свой обзор 1935 года следующим замечанием:
Простая процедура, предусмотренная для этого… может быть, в конце концов, является лишь удобным вычислительным приемом, но, как мы видели, сегодня он приобрел беспрецедентное влияние на наше основное отношение к природе.
Перед нами стоит выбор. Мы можем признать, что квантовая механика — со всеми ее странностями — является чисто символической структурой для предсказания вероятностных результатов наших экспериментов. Это действительно вычислительный прием, который не следует понимать буквально и который дает нам некоторую может бытьсть понять иначе непостижимый атомный и субатомный мир.
Или мы можем признать (вместе с Эйнштейном и Шредингером), что квантовая теория, как минимум, неполна и глубоко неудовлетворительна. Теория, способная понять атомный и субатомный мир, должна быть возможна, если только у нас есть желание ее искать и ум, чтобы ее найти.
Это развилка на дороге. Какой путь вы выберете?
Оригинал: Aeon
