Глава 6. Девять жизней кошки Шрёдингера

Многим основателям квантовой физики было тяжело принимать ее странные следствия. Сам Шрёдингер выразил свои сомнения по поводу интерпретации квантовой механики в терминах волн вероятности в парадоксе, который в настоящее время известен под названием «Кошка Шрёдингера».

Предположим, что мы помещаем кошку в клетку с радиоактивным атомом и счетчиком Гейгера. Радиоактивный атом будет распадаться в соответствии с законами вероятности. Если атом распадается, то счетчик Гейгера сработает и включит молоток, молоток разобьет бутылку с ядом, и яд убьет кошку. Допустим, что вероятность того, что это случится в течение часа, составляет 50% (рис. 21).

Рис. 21. Парадокс кошки Шрёдингера

Тогда каким образом квантовая механика описывает состояние кошки по прошествии часа? Разумеется, если мы посмотрим, то обнаружим, что кошка либо жива, либо мертва. А что, если мы не посмотрим? Вероятность того, что кошка мертва, составляет 50%. Вероятность того, что кошка жива, тоже равна 50%.

Если мыслить классически, как требует материальный реализм, и руководствоваться принципами детерминизма и причинной непрерывности, то можно было бы провести мысленную аналогию с ситуацией, в которой некто подбросил монету, а потом накрыл ее ладонью. Мы не знаем, что выпало — орел или решка, но, разумеется, выпало либо то, либо другое. Кошка либо жива, либо мертва, с вероятностью каждого исхода, равной 50%. Мы просто не знаем, какой исход реализовался на самом деле. Отнюдь не такой сценарий предполагает математика квантовой механики. Квантовая механика подходит к вероятностям совсем иначе. Она описывает состояние кошки в конце часа как наполовину мертвое, наполовину живое. Внутри ящика имеется вполне буквально «когерентная суперпозиция наполовину живой и наполовину мертвой кошки» — как это звучит на техническом жаргоне квантовой физики. Парадокс кошки, которая жива и мертва одновременно — это следствие того, как в квантовой механике делаются вычисления. Сколь бы странными ни были следствия этой математики, мы должны относиться к ней серьезно, поскольку та же математика дарит нам чудеса транзисторов и лазеров.

Эту абсурдную ситуацию резюмирует следующая пародия из «Книги старого опоссума о практичных кошках» Т. С. Элиота:

Кошка Шрёдингера — загадочная кошка,

она иллюстрирует законы;

сложные вещи, которые она делает, не имеют

никакой видимой причины;

она сбивает с толку детерминистов

и доводит их до отчаяния,

Ведь когда они пытаются ее поймать,

квантовой кошки и след простыл!

Пародия, разумеется, верна — никто не видел квантовую кошку, или когерентную суперпозицию, в действительности — даже квантовые физики. В самом деле, если мы заглядываем в ящик, то видим либо живую, либо мертвую кошку. Возникает неизбежный вопрос: что же такого особого в нашем акте наблюдения, что он способен разрешить дьявольскую дилемму кошки?

Одно дело — правдоподобно говорить об электроне, одновременно проходящем через две щели, но когда мы говорим о том, что кошка наполовину жива и наполовину мертва, абсурдность квантовой когерентной суперпозиции становится самоочевидной.

Один выход из положения состоит в том, чтобы настаивать, что математическое предсказание когерентной суперпозиции не следует принимать буквально. Вместо этого можно, следуя интерпретации в терминах статистики ансамблей, которой отдают предпочтение некоторые материалисты, убеждать себя, что квантовая механика делает предсказания только относительно экспериментов с очень большим числом объектов. Если бы имелось десять миллиардов кошек в абсолютно одинаково устроенных ящиках, то квантовая механика говорила бы нам, что по истечении часа половина из них будет мертва — и, несомненно, наблюдение подтвердило бы истинность этого утверждения. Быть может, для одной кошки теория просто не применима. В предыдущей главе приводился сходный довод для электронов. Однако фактически интерпретация в терминах ансамблей сталкивается с затруднением даже при объяснении интерференционной картины в простом двухщелевом эксперименте.

Кроме того, интерпретация в терминах ансамблей равносильна отказу от квантовой механики как физической теории для описания единичного объекта или единичного события. Поскольку единичные события все же происходят (и даже были выделены единичные электроны), мы должны быть способны говорить о единичных квантовых объектах. В действительности, квантовая механика формулировалась применительно к единичным объектам, несмотря на парадоксы, которые при этом возникают. Мы должны быть готовы к парадоксу Шрёдингера и искать способ его разрешения. Альтернатива в том, чтобы не иметь вообще никакой физики для единичных объектов — а это совершенно неприемлемо.

Сегодня многие физики, имея дело с парадоксом кошки Шрёдингера, предпочитают прятаться за антиметафизическую философию логического позитивизма. Эта философия выросла из работы венского философа Людвига Виттгенштейна «Логико-философский трактат», где он высказывает свое знаменитое суждение: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать». Следуя этому правилу, такие физики — мы можем называть их представителями нео-Копенгагенской школы — заявляют, что нам следует ограничивать обсуждение реальности тем, что видимо, вместо того чтобы пытаться утверждать реальность чего-то, что невозможно наблюдать. Для них главный довод состоит в том, что мы никогда не видим когерентную суперпозицию. Наполовину жива или наполовину мертва ненаблюдаемая кошка? Они бы сказали, что такой вопрос нельзя задавать, поскольку на него невозможно ответить. Конечно, это софистика. К вопросу, на который невозможно ответить прямо, тем не менее, можно подходить косвенно и ответ на него можно вычислять на основании согласованности с тем, что мы можем знать прямо. Более того, полное уклонение от метафизических вопросов не совместимо с духом первоначальной Копенгагенской интерпретации и с представлениями, которых придерживались Бор и Гейзенберг.

По мнению Бора, Копенгагенская интерпретация ослабляет абсурдность наполовину мертвой, наполовину живой кошки с помощью принципа дополнительности: когерентная суперпозиция представляет собой абстракцию; в абстракции кошка может существовать как и живая, и мертвая. Это описание является дополнительным по отношению к описанию мертвой или живой кошки, которое мы даем, когда ее видим. Согласно Гейзенбергу, когерентная суперпозиция ~ наполовину живая, наполовину мертвая кошка — существует в трансцендентной потенции. Именно наше наблюдение «схлопывает» двойственное состояние кошки в единственное.

Как следует понимать это понятие наполовину живой, наполовину мертвой кошки, существующей в потенции? Ответ, который звучит как научная фантастика, предложили физики Хью Эверетт и Джон Уиллер. Согласно Эверетту и Уиллеру, реализуются обе возможности — живая и мертвая кошка, — однако это происходит в разных реальностях, или параллельных вселенных. Для каждой живой кошки, которую мы находим в ящике, наш двойник в параллельной вселенной, открывая двойник нашего ящика, обнаруживает мертвого двойника нашей кошки. Наблюдение двойственного состояния кошки заставляет саму вселенную расщепляться на параллельные ветви. Это интригующая идея, и некоторые писатели-фантасты (особенно Филип К. Дик) ей умело воспользовались. К сожалению, это также дорогостоящая идея. В соответствии с ней, количество материи и энергии должно было бы удваиваться всякий раз, когда наблюдение заставляет вселенную расщепляться. Это оскорбляет нашу склонность к экономии, которая может быть предрассудком, но, тем не менее, служит краеугольным камнем научного рассуждения. Кроме того, поскольку параллельные вселенные не взаимодействуют, эту интерпретацию трудно подвергнуть экспериментальной проверке, а потому, с научной точки зрения, она бесполезна. (В художественной литературе дела обстоят проще. В романе Филипа Дика «Человек в высоком замке» параллельные вселенные взаимодействуют. А иначе как бы мог быть сюжет?)

К счастью, есть возможное идеалистическое решение. Поскольку наше наблюдение магически разрешает дихотомию кошки, должно быть, именно мы — наше сознание — вызываем коллапс волновой функции кошки. Материальным реалистам эта идея не нравится, поскольку она делает сознание независимой причинной сущностью; признавать это означало бы забивать гвозди в гроб материального реализма. Вопреки материализму, с этим решением парадокса согласились такие знаменитые ученые, как Джон фон Нойманн, Фриц Лондон, Эдмонд Бауэр и Юджин Вигнер.