Квантовая физика, время, сознание, реальность

электроны можно регистрировать различными методами: с помощью сцинтиллирующего экрана, попадание электрона на который вызывает вспышку света, фотоплёнки или с помощью счётчиков различных типов, например, счётчика Гейгера.

регистрирует прохождение электрона сквозь неё (рис. 3).

Результаты измерений для электронов в случае, когда одна из щелей закрыта, выглядят вполне разумно, и весьма походят на наш опыт с пулемётной стрельбой (синяя и зелёная кривая на рисунке). А вот для случая, когда обе щели открыты, мы получаем совершенно неожиданную кривую P12, показанную красным цветом. Она явным образом не совпадает с суммой P1 и P2! Получившуюся картину называют интерференционной картиной от двух щелей.

Давайте попробуем разобраться, в чём тут дело. Если мы исходим из гипотезы, что электрон проходит либо через щель 1, либо через щель 2, то в случае двух открытых щелей мы должны получить сумму эффектов от одной и другой щели, как это имело место в опыте с пулемётной стрельбой. Вероятности независимых событий складываются, и в этом случае мы бы получили P1 + P2 = P12.

Может, мы не учли какой-нибудь существенный эффект, и суперпозиция состояний здесь совсем ни при чём? Может быть, у нас очень мощный поток электронов, и разные электроны, проходя через разные щели, как-то искажают движение друг друга? Для проверки этой гипотезы надо модернизировать электронную пушку так, что электроны вылетали из неё достаточно редко. Скажем, не чаще, чем раз в полчаса. За это время каждый электрон уж точно пролетит всё расстояние от пушки до детектора и будет зарегистрирован! Так что никакого взаимного влияния летящих электронов друг на друга уж точно не будет!

Сказано — сделано. Мы модернизировали электронную пушку и полгода провели возле установки, проводя эксперимент и набирая необходимую статистику. Каков же результат? Он ничуть не изменился.

Но, может быть, электроны каким-то образом блуждают от отверстия к отверстию и только потом достигают детектора? Это объяснение также не проходит: на кривой P12 при двух открытых щелях есть точки, в которые попадает значительно меньше электронов, чем при любой из открытых щелей. И наоборот, есть точки, количество электронов в которых более чем вдвое превышает сумму электронов, прошедших из каждой щели по отдельности.

Стало быть, утверждение о том, что электроны проходят либо сквозь щель 1, либо сквозь щель 2, неверно. Они проходят через обе щели одновременно. И очень простой математический аппарат, описывающий такой процесс, даёт абсолютно точное согласие с экспериментом, с тем, что показано красной линией на графике.

Чем же отличаются пули от электронов? С точки зрения квантовой механики, ничем. Только, как показывают расчёты, интерференционная картина от рассеяния пуль характеризуется столь узкими максимумами и минимумами, что никакой детектор их зарегистрировать не в состоянии. Расстояния между этими минимумами и максимами неизмеримо меньше размеров самой пули. Так что детекторы будут давать усреднённую картину, показанную красной кривой на рис. 1.

Давайте теперь видоизменим наш опыт так, чтобы можно было 'проследить' за электроном, проследить, через какую щель он проходит. Поставим возле одной из щелей детектор, который регистрирует прохождение электрона сквозь неё (рис. 3).

В этом случае, если пролётный детектор регистрирует прохождение электрона через щель 2, мы будем знать, что электрон прошёл через эту щель, а если пролётный детектор не даёт сигнала, а основной детектор электронов даёт сигнал, то ясно, что электрон прошёл через щель 1. Можно поставить и два пролётных детектора, на каждую из щелей, но это никак не скажется на результатах нашего опыта. Конечно, любой детектор, так или иначе, исказит движение электрона, но будем считать это влияние не очень существенным. Для нас ведь куда более важен сам факт регистрации того, через какую из щелей проходит электрон!

Как вы думаете, какую картину мы увидим? (мнения зала разделились: большая часть аудитории считает, что результат опыта не изменится, но несколько человек считают, что вероятности сложатся, и результат будет таким же, как в опыте с пулемётной стрельбой).

Результат этого эксперимента показан на рис. 3, качественно он ничем не отличается от опыта с пулемётной стрельбой. Таким образом, мы нашли, что когда мы смотрим на электрон, то обнаруживаем, что он проходит либо через одно отверстие, либо через другое. Суперпозиции этих двух состояний нет! А когда мы не него не смотрим, он одновременно проходит через две щели, и распределение их на экране совсем не такое, чем тогда, когда мы на них смотрим!

Может быть, здесь дело в том, что наш пролётный детектор уж слишком сильно искажает движение электронов? Проведя дополнительные опыты с различными пролётными детекторами, по-разному искажающими движение электронов, мы заключаем, что роль этого эффекта не очень существенна. Существенным оказывается только сам факт фиксации состояния объекта!

Когда кот и жив, и мёртв

Итак, эксперименты над микромиром однозначно говорят о возможности суперпозиции, когда объект характеризуется совокупностью состояний, каждое из которых, на первый взгляд, исключает другое. Зададим себе вопрос: что надо для наблюдения суперпозиции состояний? Можно ли наблюдать суперпозицию состояний не только в микромире, но и в макромире, в нашей обыденной жизни?

Ответ на первый вопрос достаточно ясен: для наблюдения суперпозиции мы не должны фиксировать состояние объекта. Но что значит фиксировать? Кто осуществляет фиксацию состояний? Прибор типа нашего пролётного детектора? Или наблюдатель? Или необходимо наличие и прибора, и наблюдателя? Ответ на этот вопрос даёт теория декогеренции. Но вначале я хочу сказать пару слов об открытых и замкнутых системах, а также о запутанных (синонимы — перепутанных, сцеплённых) состояниях. Эти понятия мы не раз используем в дальнейшем.

В обыденной жизни мы имеем дело с открытыми системами, когда есть какой-то объект, за которым мы наблюдаем (например, камень), и есть что-то внешнее по отношению к нему (например — песок, мы сами, да и вся остальная Вселенная вокруг камня). Очевидно, что окружение может взаимодействовать с нашим объектом и тем самым влиять на его состояние. Кроме того, в окружении может, так или иначе, записываться информация о состоянии объекта. И наш объект, конечно, тоже записывает, в какой-то форме, информацию о состоянии окружения.

Пример замкнутой (целостной) системы — наша Вселенная. Вне её, по определению, нет ничего, что могло бы на неё повлиять, и нет ничего, где могла бы записаться информация об её состоянии. Под записью мы сейчас имеем в виду любое изменение состояния внешней подсистемы под влиянием взаимодействия с выделенной. Подобие замкнутых систем можно создать и в лабораторных условиях, для этого надо исключить влияние окружения на нашу систему, и проследить, чтобы состояние системы никак не сказывалось на состоянии окружения.

Запутанные (это устоявшийся термин, хотя мне больше нравится термин сцеплённые) состояния могут возникать в системе, которая состоит из нескольких взаимодействующих подсистем. Например, если электрон сталкивается с атомом, то образуется запутанное состояние, в котором состояние электрона будет скоррелировано с состоянием атома. Запутанные состояния необходимы для описания совокупной системы, образованной из всех когда-то провзаимодействовавших между собой частей. Так вот, теория декогеренции утверждает, что суперпозиция состояний в какой-либо системе возможна лишь в том случае, если в окружении не записывается информации, достаточной для разделения компонент суперпозиции. Эти слова имеют в теории чёткую математическую формулировку: необходимо, чтобы интеграл перекрытия векторов различных состояний окружения, соответствующих различным компонентам суперпозиции нашей системы, был много меньше единицы.