Надо сказать, эта волновая функция – настоящий призрак. Ее нельзя измерить. Каждое ее значение состоит обычно из двух чисел (действительной части и мнимой) – или больше, если имеет место суперпозиция. Проведите измерение, и новая волновая функция окажется намного проще. Это часть копенгагенской концепции Борна−Гейзенберга, и она до сих пор в ходу. Более того, сегодня физики пытаются воспользоваться скрытыми призрачными аспектами волновой функции, применив их в квантовых компьютерах. На компьютерном жаргоне значение амплитуды называется квантовым битом, или кубитом
[183].
Волновая функция электрона может быть малой по протяженности и ограничиваться пространством вокруг ядра атома или большой и охватывать все пространство между Землей и Солнцем. Если известно прошлое волновой функции и действующие на нее силы, можно определить (скажем, с помощью уравнения Шрёдингера), как она будет выглядеть; однако невозможно исследовать волновую функцию с помощью инструментов, не вызвав при этом никаких изменений в ней, то есть ее коллапса. Когда вы измеряете положение электрона, новая волновая функция после коллапса может оказаться сильно ограниченной в пространстве или, напротив, расширенной до размеров, зависящих от неопределенности вашего измерения.
Что нужно сделать, чтобы вызвать коллапс волновой функции? Мы не знаем. Серьезно. Когда физики чего-то не понимают, они часто придумывают для этого название – просто чтобы иметь возможность обсуждать эту загадку. В нашем случае причиной, заставляющей волновую функцию коллапсировать, становится измерение. Как я только что сказал, мы не знаем, что под этим подразумевается. Обычно физики не обращают внимания на эту проблему и отговариваются знаменитой фразой Поттера Стюарта: «Я не могу описать [это]… но узнаю, когда увижу». Но факт остается фактом: мы не можем узнать это, даже когда видим. Некоторые утверждают, что для этого необходимо определенное «сознание». Это не очень помогает, поскольку мы плохо понимаем, что такое сознание. Эйнштейн высмеивал именно это утверждение, когда иронично заметил: «Вы что, правда считаете, что Луны не существует до тех пор, пока мы на нее не посмотрим?»
Эйнштейна беспокоили не только коты в коробках.
Квантовая теория противоречит теории относительности
Необязательно убивать котов, чтобы наткнуться на квантовые парадоксы. Представьте электрон, описываемый очень большой волновой функцией, которая тянется отсюда до самого Солнца. Детектируйте его, и волновая функция сколлапсирует, сразу же и мгновенно, в другую волновую функцию, по размеру не превышающую размера вашего детектора. Мы знали, что есть один электрон, и теперь знаем, что он возле Земли. Следовательно, понимаем, что он в настоящее время не на Солнце. Теория гласит, что волновая функция коллапсирует мгновенно. Согласуется ли это с нашими представлениями об относительности?
Я использовал слово мгновенно, но его значение сильно зависит от контекста. Согласно теории относительности, два отдельных события (регистрация электрона возле Земли и исчезновение его волновой функции возле Солнца) не будут одновременными во всех системах отсчета, даже если они одновременны в интересующей нас СО, связанной с детектором. Это означает, что существует система отсчета, в которой исчезновение волновой функции предшествует измерению. Более того, есть СО, в которой волновая функция присутствовала возле Солнца еще некоторое время после измерения. Таким образом, согласно правилам квантовой физики, существует система отсчета, в которой электрон, зарегистрированный у Земли, еще некоторое время может с ненулевой вероятностью находиться у Солнца. То есть мы имеем некоторый шанс зарегистрировать его там. Но это невозможно, поскольку электрон уже зарегистрирован у Земли, а он только один. (Да, мы можем организовать все таким образом, чтобы с уверенностью сказать: в системе присутствует только один электрон.) Что-то не сходится.
Очевидное объяснение этому таково: электрон на самом деле не распределенный, а точечный объект, и волновая функция всего лишь отражает наше неведение о том, где он находится в реальности. Именно так часто преподают квантовую физику, и именно так об этих вопросах думают многие действующие специалисты. Но на самом деле это неверно. Идея о том, что существует какая-то более широкая реальность, а квантовая физика просто описывает наше незнание, не что иное, как теория скрытых параметров, где настоящее, но не известное нам, положение электрона играет роль скрытого параметра. Для проверки, какая из теорий верна, было проведено немало экспериментов, и во всех до сих пор квантовая теория находила подтверждение, а теория скрытых параметров опровергалась. Это означает, что волновая функция не подчиняется теории относительности. И это внушает тревогу: теория относительности за минувшее столетие проверялась очень широко и подтверждалась множеством экспериментов. Как же разрешить конфликт между теорией относительности и квантовой физикой?
Глава 18
Подразним квантовый призрак
Загадочный вопрос с измерением, и как плохо мы исследуем квантовую волновую функцию…
[Жизнь] как коробка шоколадных конфет. Никогда не знаешь, что у каждой конфеты внутри.
Из фильма «Форрест Гамп»
[184]
У волновых функций множество свойств, благодаря которым сравнение с призраком представляется более чем метафорой. Как мы уже обсуждали, коллапс волновой функции не ограничен скоростью света. Из этого следует, что в некоторых системах отсчета ее коллапс будет двигаться назад во времени. Единственная связь волновой функции с реальностью возникает, когда мы пытаемся измерить положение или энергию частицы, которую эта функция описывает. При этом, согласно квантовой физике, изменение волновой функции противоречит нашим интуитивным представлениям и на первый взгляд не соответствует понятиям о теории относительности.
Вы шокированы? Вас удивляет, что в дебрях современной физики скрывается такой зверь? Один из отцов-основателей квантовой физики Нильс Бор сказал: «Тот, кого не шокирует квантовая теория, не понял в ней ни единого слова». Ричарду Фейнману принадлежит фраза: «Можно смело сказать, что квантовую механику не понимает никто»
[185]. Джон Уилер, наставник Фейнмана и один из важнейших разработчиков пути развития квантовой физики, думал точно так же: «Если квантовая механика не приводит вас в полнейшее замешательство, значит вы ее не понимаете». Роджер Пенроуз, один из ведущих современных мыслителей, работающих над философией этого раздела науки, писал: «Квантовая механика абсолютно лишена смысла»
[186].
