«Колдовское исчисление». Квантовая механика

Представьте себе, что вы посылаете из Москвы две одинаковые телеграммы. На север – скажем, в Архангельск и на юг – в Одессу. В момент получения телеграммы одессит каким-то неведомым чутьем узнает, что точно такую же депешу вот-вот получит житель Архангельска, хотя в тексте телеграммы об этом не говорится ни слова.

Правда, одесситы – особый народ, многое могут разгадать, и чтобы исключить случайности, вы посылаете целую серию телеграмм – одну за другой через примерно равные промежутки времени, причем текст посланий вы изменяете случайным образом, по своей прихоти. Но каждый раз, когда приходила телеграмма, одессит точно знал содержание послания, отправленного в Архангельск. Более того, фактически он знал переданный текст еще до того, как обе телеграммы достигали своих адресатов на севере и юге. Разумеется, и северянин, как выяснилось, ничем не уступал хитроумному одесситу.

Что это – магия, телепатия, сверхсветовой телеграф? Неужели в мире существуют такие мгновенные взаимные влияния? Как оказалось, да, существуют – в квантовом мире. А наука, описывающая этот странный мир – квантовая механика, – изменила человеческую цивилизацию намного сильнее, чем любая другая, например, широко известная общая теория относительности (см. «Наука и жизнь» №№2...4, 1987 г., №№5, 6, 1988 г.).

Именно квантовая механика стала основой современных электронных технологий – фактически сегодня она превратилась в инженерную дисциплину. И тем не менее споры о том, как интерпретировать квантовую механику никогда не прекращались со времени ее построения в 20-х годах нынешнего столетия, а в последнее время стали особенно оживленными.

Нынешний всплеск интереса к интерпретации квантовой механики возник после того, как молодой французский оптик Ален Аспек вместе со своими сотрудниками задумал и осуществил физический эксперимент, аналогией которого и служит пример с телеграммами, посланными из Москвы на север и на юг. Только роль телеграмм в эксперименте Аспека играли разлетающиеся в противоположные стороны фотоны, роль текста – их внутренние состояния (поляризации), а роль одессита и жителя Архангельска – фотодетекторы, помещенные позади поляризационных анализаторов, считывающих квантовое состояние фотона (содержание телеграммы). В результате опыта оказалось, что хотя оба фотона были разделены очень большим расстоянием и никак не могли бы обменяться информацией, каждый из них каким-то образом «узнавал» о том, что происходит с другим фотоном.

На первый взгляд такое сверхсветовое взаимодействие противоречит теории относительности и возвращает нас в дорелятивистскую эпоху к ньютоновой идее мгновенного дальнодействия. Энтузиасты сверхъестественного тут же ухватились за квантовую «нелокальность», трактуя ее как «научное» доказательство возможности экстрасенсорного восприятия: на международных конгрессах по парапсихологии, или, как ее стали называть, психотронике, около трети докладов посвящено спекуляциям на тему квантовой механики. Но дело здесь вовсе не в телепатии – просто квантовые явления несовместимы ни с представлениями классической физики, ни с нашей обыденной интуицией. Может быть, вообще самое удивительное в современной физике то, что она нуждается в механике двух типов, классической и квантовой, причем переход от одной к другой совсем не так прост, как это обычно декларируется в учебниках. Эйнштейн, к примеру, считал, что квантовая механика по меньшей мере неполна, что она «не может служить удовлетворительным исходным пунктом для дальнейшего развития».

Впрочем, именно благодаря этой неудовлетворенности Эйнштейна и появилась в физике квантовая «нелокальность» (парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена), опытная проверка которой стимулировала серию классических экспериментов, в том числе эксперимент Аспека. Здесь мы сталкиваемся еще с одним глубоким следом, оставленным Эйнштейном в современной физике.

Кстати, именно Эйнштейну, по-видимому, принадлежит термин «квант». Он был первым, кто применил казавшуюся невероятной гипотезу Планка об «элементах энергии» для объяснения опытных фактов – законов фотоэффекта. 14 декабря 1900 года профессор Макс Планк сделал доклад о спектре излучения абсолютно черного тела, фактически просто нагретой сферы с небольшой дыркой. Чтобы объяснить спектр такого излучения. Планку пришлось предположить, что энергия излучается порциями, пропорциональными частоте света, испускаемого телом. Коэффициент пропорциональности, который входит абсолютно во все квантово-механические соотношения, с тех пор стали называть постоянной Планка.

14 декабря 1900 года нередко называют днем рождения новой науки – учения о квантах. На страницах цветной вкладки показаны, основные этапы развития современной квантовой механики, точнее, ее нерелятивистской части. Здесь вы увидите, как эволюционировали представления об атоме, о том, как ведет себя микрочастица, в частности электрон, и почему она не движется вдоль классической траектории, а распространяется подобно волне в некоторой не вполне определенной области пространства. Особую роль в квантовой теории играет проблема измерений – фактически квантовую механику можно условно разбить на две части: описание поведения микрообъектов и теорию измерений. В квантовой механике в отличие от классической результаты эксперимента описываются как вероятности различных исходов (пример с «котом Шредингера»).

Относительно измерений в квантовой механике существует несколько точек зрения, одна из них – довольно экстравагантная, однако все более популярная в последнее время – приводит к представлению о множестве миров. Согласно этой конструкции наш мир существует в бесконечном количестве почти одинаковых версий, и при любом измерении наблюдатель как бы размножается – одна его копия переходит в мир с одним исходом эксперимента, другая отправляется в другой мир, с иным исходом. Физики надеются, что в квантовой теории гравитации и космологии гипотеза многих миров окажется очень полезной. Примеры этому уже есть: в частности недавно построенная известными теоретиками И.Д. Новиковым (СССР) и К. Торном (США) теория космологической «машины времени», позволяющей отправиться в прошлое (и встретить там, скажем, свою бабушку в молодом возрасте), допускает интерпретацию в контексте многомирового представления квантовой механики.

В наступающем году мы надеемся более подробно познакомить читателей «Науки и жизни» с концепцией «ансамбля миров», с «машиной времени», с квантовой теорией измерений (в частности таких, которые минимально изменяют состояние исследуемого объекта), а также с распространением идей квантовой механики – как выразился Эйнштейн, «настоящего колдовского исчисления» – далеко за пределы физики.

10 сентября 2004 года

С. ПАНКРАТОВ