Читаем без скачивания О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус дю Сотой

Квантовая антропология

Чтобы подчеркнуть ту странную роль, которую играет наблюдение, можно вернуться к опыту с двойной щелью и поставить на одной из щелей детектор, чтобы попытаться подглядеть, в какую именно щель «на самом деле» проходит электрон. В этом случае интерференционная картина исчезает. Акт определения щели, через которую пролетает электрон, изменяет природу описывающей его волновой функции. Теперь на пластине детектора видны два светлых участка, расположенных напротив щелей, – никакой интерференции. Моя попытка познания изменяет поведение электрона.

В качестве возможной, хотя и не вполне честной аналогии можно представить себе антрополога, наблюдающего ранее неизвестное племя индейцев Амазонки. Его наблюдение неизбежно изменяет поведение индейцев. Наблюдать без взаимодействия с племенем и без какого-либо влияния на его поведение невозможно. В случае электрона это еще более очевидно. Чтобы узнать, через какую щель он пролетает, на него нужно «посмотреть», но для этого с ним необходимо провзаимодействовать. Например, в таком взаимодействии может быть использован световой фотон, отражающийся от электрона и возвращающийся в детектор. Но такой фотон обязательно производит некоторое изменение энергии, импульса или положения электрона. Он не может взаимодействовать без какого-либо изменения. Собственно говоря, такое взаимодействие может быть не таким явным, как отражение фотона от электрона. Оно может быть и более тонким. Если детектор, установленный на одной из щелей, не обнаруживает электрона, из этого можно заключить, что он прошел через вторую щель. Но никакого отражения фотона от электрона в этом случае не происходит. Такое измерение положения электрона происходит без взаимодействия.

Есть один очень странный мысленный эксперимент, использующий такой акт наблюдения за тем, как электроны проходят через щель в экране. Предположим, мы сделаем бомбу, которая может быть приведена в действие при попадании в ее датчик единственного электрона. Проблема в том, что нельзя гарантировать, что бомба сработает. С классической точки зрения единственный способ ее испытания сводится к довольно бессмысленному действию – запуску в бомбу электрона. Если бомба взорвется, значит, она была настоящая. Если нет – муляж. Но в любом случае после такого испытания мы остаемся без бомбы.

Как ни странно, для обнаружения действующих бомб, не требующего их взрыва, можно использовать опыт с двойной щелью. Вспомним, что на пластине есть участки, в которые электрон, если он действительно одновременно проходит через обе щели, попасть не может. Если в такой точке все-таки обнаруживается электрон (традиционным, невзрывным способом), значит, мы подглядывали и заставили этот электрон выбрать одну из щелей. Этот участок мы и будем использовать в качестве «бомбового детектора». Поставим датчик бомбы на одну из щелей: если эта бомба – муляж, то датчик ее не взорвет. То есть в случае муляжа мы не производим наблюдения. Значит, электрон проходит через обе щели и не может попасть в «бомбовый детектор».

А что, если это не муляж? В таком случае, если электрон пролетит через эту щель, датчик его зарегистрирует и взорвет бомбу. Так себе результат. Но, поскольку теперь мы определяем, через какую щель пролетает электрон, он пролетает только через одну щель и имеет шанс попасть в наш «бомбовый детектор». Поэтому обнаружение электрона в «бомбовом детекторе» должно означать, что бомба заряжена. Заряженная бомба является механизмом детектирования электронов. В половине случаев детектирования электронов они пролетают через щель, на которой установлен датчик, и бомба взрывается. Но в остальной половине случаев бомба определяет, что электроны пролетели через другую щель, интерференционная картина не может возникнуть, электроны могут попасть в «бомбовый детектор», и тем не менее бомба не взрывается. Электрон дал нам информацию о том, через какую щель он пролетел, но такой акт «наблюдения» не требовал ни слежения за электроном, ни его столкновения с фотоном, ни взрыва бомбы.

Такие странные последствия акта наблюдения также можно использовать для прекращения распада в банке урана с моего стола. Если постоянно производить множество мини-наблюдений, пытаясь застать уран за испусканием излучения, то такие наблюдения могут «заморозить» уран и остановить его распад. Старая поговорка утверждает, что кастрюля, за которой следят, никогда не закипит, – только в квантовом варианте место кастрюли занимает банка, полная урана.

Тот факт, что постоянное наблюдение за нестабильной частицей может каким-то образом заморозить ее и остановить ее трансформации, первым осознал специалист по расшифровке кодов, математик Алан Тьюринг. С тех пор это явление стало известно под названием квантового эффекта Зенона, по имени греческого философа, который полагал, что поскольку моментальные снимки летящей стрелы не показывают никакого движения, то стрела вообще не может двигаться[57].

Представим себе частицу, которая может иметь два состояния, ЗДЕСЬ и ТАМ. Пока ее никто не наблюдает, она находится в смешанном состоянии, но акт наблюдения заставляет ее выбрать одно из них. Если она выбрала состояние ЗДЕСЬ, то после наблюдения она начинает постепенно возвращаться в смешанное состояние, но если быстро произвести новое наблюдение, пока она в основном еще находится ЗДЕСЬ, то, по всей вероятности, она снова перейдет в состояние ЗДЕСЬ. Таким образом, если постоянно наблюдать такую частицу, она никогда не приобретет достаточной доли состояния ТАМ, чтобы ее можно было наблюдать ТАМ. Это похоже на ситуацию с двумя стаканами, до половины налитыми водой, если при каждом наблюдении мы должны переливать воду из одного стакана в другой, наполняя его до краев. После наблюдения можно начать снова переливать воду в пустой стакан, но, если произвести новое наблюдение достаточно быстро, во втором стакане еще почти не будет воды, так что проще всего будет снова наполнить тот стакан, который уже почти полон. Если каждый раз производить наблюдение достаточно быстро, можно сделать так, чтобы полный стакан постоянно оставался полным.

Мои дети увлекаются научно-фантастическим телесериалом «Doctor Who», как увлекался им в детстве и я. Из всех видов инопланетян в нем самыми страшными нам кажутся «плачущие ангелы» – каменные статуи, похожие на тех, что стоят на нашем местном кладбище. Они остаются неподвижными, пока на них смотришь, не отводя глаз. Но стоит только моргнуть, и они могут двигаться. Теория утверждает, что стоящая на моем столе баночка урана похожа на плачущего ангела. Если я буду постоянно наблюдать уран – что, очевидно, требует несколько большего, чем простое созерцание банки, – я могу заморозить его так, что он перестанет испускать излучение.

Хотя Тьюринг впервые выдвинул эту идею в качестве теоретического последствия математических выкладок, оказалось, что она была не просто математической выдумкой. В последнее десятилетие были поставлены некоторые эксперименты, продемонстрировавшие реальную возможность использования наблюдений для торможения развития квантовых систем.

Множественные истории

Из квантовой физики, по-видимому, следует, что в опыте с двойной щелью электрон имеет бесконечное количество вариантов будущего до тех пор, пока мы не произведем его наблюдения. В этот момент бросок некоей неведомой квантовой кости определяет, какое именно из этих будущих должно осуществиться. Я, предположим, могу смириться с тем, что будущее невозможно узнать, пока оно не станет настоящим. В конце концов, если я беру свою игральную кость, собираясь бросить ее три раза, у нее существуют 6 · 6 · 6 = 216 разных вариантов будущего, каждый из которых может осуществиться. Как акт бросания кости выбирает одно из этих 216 возможных будущих, так и акт наблюдения электрона определяет одно из его многочисленных возможных положений. Однако из другого неожиданного поворота опыта с двойной щелью следует, что прошлое тоже не определено единственным образом.

Более того, получается, что действия, осуществляемые в настоящем, способны изменить прошлое. Узнать, через какую именно щель пролетел электрон, можно спустя долгое время после прохождения им экрана. В момент, непосредственно предшествующий попаданию электрона в пластину детектора, прямо перед электроном можно поставить наблюдательное устройство. Назовем такое устройство «щелевым наблюдателем».

Предположим, что наш опыт с двойной щелью поставлен в космическом масштабе. Поставим на одном краю Вселенной источник электронов и расположим прямо перед ним экран с двойной щелью. Поместим пластину детектора на другом краю Вселенной. В такой конфигурации электрону потребуется много лет, чтобы пересечь все это пространство и наконец попасть в пластину. Поэтому когда электрон пролетает через экран с двойной щелью, он не знает, будем ли мы наблюдать его при помощи нашего «щелевого наблюдателя».