ПосмішкаШредінгерова кота
Парадокси квантової фізики через призму красного письменства
Думковий експеримент, запропонований австрійським фізиком Ервіном Шредінгером у 1935 році, став знаменитим – і не лише серед учених – багато в чому завдяки фантасмагоричній фігурі напівживого-напівмертвого кота. За умовами експерименту в закритому ящику знаходяться: кіт, механізм з радіоактивним атомним ядром та ємність з отруйним газом. Як відомо, розпад ядра у квантовій механіці описується суперпозицією (суміщенням) різних станів елементарної частки. Залежно від того, чи ядро розпадається, приводиться в дію смертоносний пристрій. А оскільки ядро знаходиться в суперпозиції, то кіт одночасно і живий, і мертвий. У нашій класичній реальності таке поєднання неможливе, тому перед очима спостерігача, який відкрив ящик, кіт постає живим або мертвим, а в закритому ящику він «ні живий ні мертвий».
Експеримент Шредінгера, призначений підкреслити парадоксальність і навіть абсурдність уявлень квантової механіки, спроектованих на макросвіт, провокує наступне питання, вже не фізичне, а скоріше міфо-поетичне: чому саме кіт? Вчені, як правило, не задаються цим питанням. На місці кота могла б бути будь-яка тварина: миша, собака, заєць, ящірка.
Я вважаю, що за цим фізичним експериментом стоїть своя поетична логіка. Можливо, кіт з'явився з казки «Аліса в країні чудес», яку Льюїс Керролл написав у 1865 році, рівно за 70 років до статті Шредінгера. Знаменитий чеширський кіт має ті ж чарівні властивості, що і шредінгерівський.Він є і його немає. Коли кіт тане в повітрі, залишається лише посмішка, яка існує незалежно від нього.
Важко сказати, наскільки свідомо фізик скористався винаходом казкаря, який за своєю основною професією, до речі, був математиком (Чарльз Лютвідж Доджсон).
А може, навпаки, казкар проник у таємниці квантового світу задовго до його відкриття у фізиці?
Нечутно дівчинка йде
По казковій країні
І бачить безліч чудес
У підземній глибині.
Що якщо ця казкова країна, куди потрапила Аліса, є прообраз квантового світу, згодом відкритого фізикою? Недарма дівчинці довелося раптово зменшитися, щоб слідом за кроликом шмигнути в його нірку, і потім все зменшуватися і зменшуватися, випиваючи чарівний напій з гарної бульбашки:
Саме таке «квантування» героїні і призвело до зустрічі з котом, у поведінці якого впізнаються ефекти квантових станів – суперпозицій: «І взагалі, припиніть так різко зникати і з'являтися – голова вже крутиться!» "Добре", - погодився Кіт і почав зникати, починаючи з кінчика хвоста, так повільно, що посмішка довго ще самотньо ширяла в повітрі. "Ну і ну! – подумала Аліса. – Кіт без посмішки – це зрозуміло, але усмішка без кота! Таке диво я вперше в житті бачу!
Причому тут кіт?
У фізиків справді «крутиться голова», коли вони починають стежити за рухом частинок, які можуть одночасно з'являтися у різних місцях. Шредінгера притча про кота говорить нам приблизно те саме, що сам чеширський кіт, про умови буття в квантовому світі з точки зору класичної науки: «Ми всі тут ненормальні. Я ненормальний. Ти ненормальна», – посміхнувся Кіт.
Популяризатори квантової теорії часто цитують ще одинепізод з «Аліси»: «Лавка була битком набита всякими дивинами, але ось що дивно: варто було Алісі підійти до якоїсь полиці і подивитися на неї уважніше, як вона відразу ж порожнішала, хоча сусідні полки прямо ломилися від будь-якого товару.
- Які тут речі плинні! – жалібно промовила Аліса. Ось уже кілька хвилин, як вона ганялася за якоюсь яскравою річчю. Чи то була лялька, чи то – робоча скринька, але до рук вона ніяк не давалася. Варто було Алісі потягтися до неї, як вона летіла на полицю вище».
Цю невловимість речей порівнюють із неможливістю визначити точне становище електрона у квантовому світі. (Докладно про «Алісу» у зв'язку з проблемами сучасної науки та психології розповідається у книзі Арнольда Мінделла «Квантовий розум. Грань між фізикою та психологією», 2002).
Важко сумніватися, що «Аліса» була відома Шредінгеру, і можливо, саме для того, щоб висловити своє скептичне ставлення до квантової фізики та її парадоксів, він і вирішив вдатися до образу кота. За такого тлумачення шредінгерівська притча про живо-мертвого кота виявляється виконаною сарказму, оскільки відсилає до кота-предтечі, чия посмішка була звернена до нашого бінарного здорового глузду. Чеширський кіт в «Алісі» не просто зникає, поки посміхається, він супроводжує усмішкою саме своє зникнення, ніби посилаючи звістку з чудового світу, де все можливо, і знущаючись з самого класичного принципу реальності.
Такий же прихований сміх чується і в притчі-експерименті Шредінгера: ви, проповідники квантових чудес, будьте ласкаві прийняти кота і живим, і мертвим! Не випадково Шредінгер починає опис свого експерименту на грайливій ноті: «Можна побудувати і випадки, в яких досить бурлеску. Якийсь кіт замкнений у сталевій камері разом із наступною пекельною.машиною. ».
Називаючи випадок із котом «бурлескним», фізик підкреслює естетичний підтекст цього образу, в якому серйозний науковий експеримент знижується до жарту і навіть блазенства. Так Шредінгер хотів посміятися з теоретичної слабкості квантової механіки, яка у застосуванні до макросвіту призводить до безглуздих висновків.
Про це писав найбільший методолог науки Пол Фейєрабенд: «Пізнання. немає ряд несуперечливих теорій, що наближаються до деякої ідеальної концепції. а скоріше являє собою океан, що збільшується, взаємно несумісних (можливо, навіть несумірних) альтернатив, в якому кожна окрема теорія, казка або міф є частинами однієї сукупності».
Знаменно, що розвиток квантової механіки призводить до вже наочній появі у ній самого чеширського кота. Саме так - "Квантовий Чеширський кіт" (Quantum Cheshire Cat) - називається парадоксальна властивість деяких частинок (нейтронів) відокремлюватися від самих частинок, виявлятися незалежно від своїх матеріальних носіїв. Гіпотеза була запропонована англійськими та ізраїльськими вченими у 2010 році та підтверджена експериментами у Віденському технологічному інституті у 2013 році.
Уявимо, що дитячий дзига почав обертатися, і раптом обертання відокремилося б від самого дзиги і стало б відбуватися незалежно від нього. Так само квантова система починає «чеширничать» – вести себе так, якби частинки були просторово відокремлені від своїх магнітних властивостей. Ознаки мікрооб'єктів знаходять незалежність і локальну віддаленість від них самих.
Взагалі кіт – один із найхимерніших персонажів всесвітньої міфології. Легенди пов'язують їх із відьмами та ворожбою, з таємницями ночі та місячного світла. Вважалося, що вони мають особливе шосте почуття, можуть проникати впотойбічний світ, спілкуватися з духами і що вони мають дев'ять життів. Ця архетипіка котячого магізму широко відбилася в художній словесності, у тому числі в «Майстері та Маргариті» Михайла Булгакова (кіт Бегемот «невідомо звідки взявся» приблизно в той же час, у середині 1930-х, що і його експериментальний побратим із скриньки).
Багатосвітова інтерпретація квантової механіки, висунута американським фізиком Х'ю Евереттом у 1950-ті і розділена багатьма, якщо не більшістю сучасних учених, пропонує такий дозвіл шредінгера парадоксу: кіт залишається живим в одних світах і мертвим – в інших. Про благополучну долю шредінгера кота в евереттовських світах пише Джон Гриббін, який досконало вивчив проблему: «Нам більше нічого турбуватися про загадку кота. Ми знаємо, що в нашому світі ящик містить кота живого чи мертвого, а в сусідньому світі є інший спостерігач з такою ж ящиком, де кіт мертвий чи живий» (John Gribbin. Black Swan, 2012, p. 311.)
Сам момент спостереження кота виявляється розвилкою, де світи починають роздвоюватися, наслідуючи парадоксальний розпад-нерозпад атомного ядра. У спостерігачів живого та мертвого кота теж виявляються різні світи та різні долі.
Але про це ми могли б уже здогадуватися з читання казок, подібних до кероловської. Наукова притча Шредінгера виявляється серед тих древніх фантазій, яким у наш час судилося влитися в авангард зухвалих наукових теорій. Можливо, недарма Олександр Пушкін доручив саме вченому коту роль казкаря у вступі до «Руслану і Людмилі»: «Йде праворуч – пісня заводить, ліворуч – казку говорить. Там чудеса. ». Такий чарівний кіт справді може бути прообразом фантастичних відкриттів сучасної науки.