Шредингер предложил сходный мысленный эксперимент, чтобы указать на странность, свойственную взаимодействию неопределенности квантового мира с нашим привычным миром больших тел. Он использовал не бочонок с порохом, а ставшее впоследствии знаменитым вымышленное животное семейства кошачьих. “В пространном эссе, которое я только что написал, приводится пример, очень похожий на ваш взрывающийся пороховой бочонок”, – сообщает он Эйнштейну22.
В этом эссе, опубликованном в ноябре, Шредингер в полной мере отдает должное Эйнштейну и работе ЭПР, которые были “стимулом” для данной дискуссии. Он метил в основополагающую концепцию квантовой механики, а именно в утверждение, что невозможно определить время, когда произойдет испускание частицы из распадающегося ядра до тех пор, пока сам распад не зафиксирован. В квантовом мире ядро существует в “суперпозиции” состояний, что означает: до того как выполнено наблюдение, ядро одновременно существует в состоянии распада и остается стабильным. При наблюдении происходит коллапс волновой функции, и ядро переходит в одно из этих состояний.
Вероятно, такое может происходить в микроскопическом царстве квантов, но оказываешься в тупике, представив себе взаимодействие мира квантов с нашим повседневным миром. Своим мысленным экспериментом Шредингер ставит вопрос: когда система перестает быть суперпозицией обоих состояний и мгновенно перестаивается так, чтобы стать единой реальностью?
Этот вопрос связан с тяжкой судьбой воображаемого создания, которому было предопределено судьбой остаться бессмертным вне зависимости от того, живо оно или нет. Это создание известно как кот Шредингера:
Можно даже представить себе совсем уж комические ситуации. Пусть в стальной камере заперт кот, а кроме того, там же есть такое устройство (оно должно быть защищено от прямых посягательств кота): В счетчике Гейгера имеется очень небольшое количество радиоактивного вещества, столь малое, что за час, возможно, произойдет распад одного атома, но столь же вероятно, что распада не будет. Если распад происходит, трубка счетчика разряжается, реле приводит в действие молоточек, разбивающий вдребезги небольшую ампулу с синильной кислотой. Если в течение часа не трогать эту систему, можно сказать, что кот все еще жив, если за этот час ни один атом не распался. Это может быть описано пси-функцией всей системы, если считать, что в ней смешаны, или размазаны, живой и мертвый коты (простите за подобное выражение)23.
Эйнштейн был буквально потрясен. “Ваш кот показывает, что мы полностью сходимся в оценке качества современной теории, – написал он в ответ. – Пси-функция, включающая в себя как живого, так и мертвого кота, поистине не может быть использована для описания истинного положения дел”24.
Происшествие с котом Шредингера вызвало огромное число откликов. Их поток (разной степени вразумительности) не прекращается до сих пор. Достаточно сказать, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики система перестает быть суперпозицией состояний и мгновенно переходит в одно реальное состояние при наблюдении, но четкого определения, что собой представляет наблюдение, нет. Кот может быть наблюдателем? А блоха? А компьютер? А механическое записывающее устройство? Однозначного ответа нет. Однако мы знаем, что обычно квантовых эффектов не наблюдается в нашем повседневном, понятном нам мире, где существуют коты и даже блохи. Поэтому большинство адептов квантовой механики не станут спорить, что сидящий в ящике кот Шредингера каким-то невероятным образом одновременно и жив, и мертв до тех пор, пока крышка ящика не открыта25.
Эйнштейн не переставал верить, что с помощью кота Шредингера и своего мысленного эксперимента с порохом 1935 года можно показать неполноту квантовой механики. И история не воздала ему должное за то, что он помог этому коту появиться на свет. На самом деле позднее он приписал Шредингеру и тот и другой мысленные эксперименты. В одном из писем он написал, что животное не отравили, а взорвали. “Почему-то современные физики верят, что квантовая механика дает описание реальности, и даже полное ее описание, – написал Эйнштейн Шредингеру в 1950 году. – Однако эта интерпретация была очень изящно опровергнута с помощью вашей системы радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + пороховой заряд + кот в ящике, показывающей, что пси-функция системы содержит как живого кота, так и его же, разорванного на кусочки”26.
Часто оказывалось, что так называемые ошибки Эйнштейна (например, добавление космологической постоянной в уравнения гравитационного поля) возбуждали больший интерес, чем достижения других людей. То же можно сказать и о статьях, где он критиковал Бора и Гейзенберга. В статье ЭПР не удалось доказать, что квантовая теория ошибается. Но из нее стало ясно, что, как и утверждал Эйнштейн, квантовая механика несовместима с пониманием локальности на уровне нашего повседневного восприятия, с нашим отказом признать существование призрачного действия на расстоянии. Странно, что, по-видимому, Эйнштейн оказался прав в значительно большей степени, чем предполагал.
Прошли годы с тех пор, как в статье ЭПР он предложил свой мысленный эксперимент. А теперь физики-экспериментаторы все больше уделяют времени изучению таких странных квантовых понятий, как перепутывание и призрачное действие на расстоянии, когда наблюдение, произведенное над одной из частиц системы, может мгновенно повлиять на состояние другой частицы, находящейся очень далеко от нее. В 1951 году Давид Бом, блестящий ассистент-профессор из Принстона, переформулировал мысленный эксперимент ЭПР так, что теперь в нем принимали участие два противоположных “спина” частиц, которые после взаимодействия разлетались в разные стороны27. В 1964 году Джон Стюарт Белл, инженер, работавший в ЦЕРНе – европейском центре ядерных исследований вблизи Женевы, написал статью, где предложил экспериментальный метод проверки выводов ЭПР и Бома28.
Квантовая механика не удовлетворяла Белла. “Я не решался даже подумать, что она неправильна, – сказал он однажды, – но знал, что здесь что-то не так”29. Это и восхищение Эйнштейном зародило в нем надежду, что, возможно, удастся доказать, что прав Эйнштейн, а не Бор. Но, когда в 1980 году французскому физику Алану Аспе удалось выполнить необходимые эксперименты, было получено свидетельство, указывающее на то, что квантовому миру локальность не свойственна. А свойственно ему “призрачное действие на расстоянии”, или, точнее, неявная перепутанность разнесенных частиц30.
Несмотря на это, Белл по-прежнему высоко оценивал работу Эйнштейна. “Я чувствую, что в этом случае интеллектуальное превосходство Эйнштейна над Бором было невероятным, пропасть между человеком, который ясно видит, что необходимо, и тем, кто пытается нащупать истину в темноте, – говорил он. – Что касается меня, жаль, что предположение Эйнштейна не оправдалось. Именно разумные вещи обычно не срабатывают”31.
Квантовое перепутывание, которое в 1935 году Эйнштейн рассматривал как способ “подрыва” квантовой механики, настолько противоречит интуиции, что теперь превратилось в одну из самых интригующих загадок физики. С каждым годом множится число свидетельств, подтверждающих это явление, и это подогревает интерес к нему. Например, в конце 2005 года The New York Times опубликовала обзорную статью Денниса Овербая “Квантовое жульничество: проверка самой странной теории Эйнштейна”. Там цитируется физик из Корнельского университета Натаниэль Дэвид Мермин, назвавший квантовое перепутывание “самым близким к магии из известных нам”32 явлений. А в 2006 году журнал New Scientist напечатал историю, озаглавленную “Чип демонстрирует “призрачное действие” Эйнштейна”. Она начинается так:
