Квантовая механика и опыт

Я помню своё воодушевление, когда впервые узнал об этих экспериментах. Я чувствовал, что мне дали мельком увидеть скрытую сторону реальности. Здравый смысл — земная, обыкновенная, повседневная деятельность — внезапно оказался частью классической шарады, скрывающей истинную природу нашего квантового мира. Мир повседневности внезапно оказался не чем иным, как вывернутым наизнанку магическим действием, внушившим своим зрителям веру в обычные, привычные концепции пространства и времени, в то время как удивительная истина квантовой реальности, ускользая от взгляда, тщательно защищена природой.

В последние годы физики приложили много усилий в попытках объяснить уловки природы, чтобы точно понять, как фундаментальные законы квантовой физики превращаются в классические законы, которые столь успешны при объяснении повседневного опыта, — в сущности, чтобы разобраться, как атомное и субатомное скидывают магическую таинственность, когда они объединяются, чтобы сформировать макроскопический объект. Исследования продолжаются, но многое уже понято. Посмотрим на некоторые вещи, особенно уместные в связи с вопросом о стреле времени, но теперь с точки зрения квантовой механики.

Классическая механика основывается на уравнениях, которые Ньютон открыл в конце 1600-х гг. Электромагнетизм основывается на уравнениях, которые Максвелл открыл в поздние 1800-е гг. Специальная теория относительности основывается на уравнениях, которые Эйнштейн открыл в 1905 г., а общая теория относительности основывается на уравнениях, которые он открыл в 1915 г. Что общего имеют все эти уравнения, и что является центральным для дилеммы стрелы времени (как объясняется в предыдущей главе), так это совершенно симметричная трактовка прошлого и будущего в них. Нигде, ни в одном из этих уравнений нет чего-либо, что отличает время, направленное «вперёд», от времени, направленного «назад». Прошлое и будущее рассматриваются на одинаковых основаниях.

Квантовая механика основывается на уравнении, которое Эрвин Шрёдингер открыл в 1926 г.^{91} Вам не нужно знать подробностей об этом уравнении, кроме того факта, что в качестве входных данных в него входит квантово-механическая вероятностная волна в один момент времени, как на рис. 4.5, и оно позволяет определить, как вероятностная волна будет выглядеть в любой другой момент времени, более ранний или более поздний. Если вероятностная волна ассоциируется с частицей, такой как электрон, вы можете использовать её для предсказания вероятности, с которой в заданное время эксперимент обнаружит электрон в заданном месте. Подобно классическим законам Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, квантовый закон Шрёдингера включает в себя равноправное рассмотрение будущего и прошлого. «Фильм», показывающий вероятностную волну стартующей в таком виде и заканчивающей в этаком, может быть запущен в обратном направлении, — показывая вероятностную волну, стартующую в этаком виде, а заканчивающую в таком, — и нет способа сказать, что одна эволюция правильна, а другая ложна. В уравнении Шрёдингера оба решения будут верны. Оба одинаково представляют осмысленные пути, по которым возможно развитие.^{92}

Конечно, «фильм», о котором идёт речь, очень отличается от аналогов, использованных в предыдущей главе при анализе движения теннисного мяча или разбивающегося яйца. Мы не можем видеть волны вероятности непосредственно; не существует камеры, которая могла бы зафиксировать вероятностные волны на плёнку. Вместо этого мы можем описать вероятностные волны с использованием математических уравнений и представить себе простейшие из таких волн, имеющие форму как на рис. 4.5 и 4.6. Но единственный способ доступа к самим вероятностным волнам является косвенным, через процесс измерения.

То есть, как объяснялось в главе 4 и как видно в рассмотренных выше экспериментах, стандартная формулировка квантовой механики описывает эволюцию с использованием двух совершенно различных стадий. На первом этапе волна вероятности — или, точнее говоря, волновая функция — некоторого объекта, например электрона, эволюционирует в соответствии с уравнением, открытым Шрёдингером. Это уравнение гарантирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно, почти как волна на воде, когда она движется от одного берега озера к другому.^[49] В стандартном описании второй стадии путём измерения положения электрона реализуется связь электрона с наблюдаемой реальностью, и когда мы это делаем, форма его волновой функции мелется резко и прерывисто. Волновая функция электрона не похожа на более привычные примеры волн на воде или звуковых волн: когда мы измеряем положение электрона, его волновая функция образует пик, т. е. коллапсирует, падая до нуля везде, где частица не найдена, и вырастает до 100%-й вероятности в единственном месте, где частица найдена измерением (как показано на рис. 4.7).

Первая стадия — эволюция волновой функции в соответствии с уравнением Шрёдингера — является математически строгой, совершенно недвусмысленной и полностью принятой физическим сообществом. Вторая стадия — коллапс волновой функции при измерении — наоборот, является чем-то, что на протяжении последних восьмидесяти лет держит физиков, в лучшем случае, в тихом смущении, а в худшем — провоцирует проблемы, загадки и потенциальные парадоксы, ради которых жертвуют карьерами. Трудность, как отмечалось в конце главы 4, состоит в том, что в соответствии с уравнением Шрёдингера волновые функции не коллапсируют. Коллапс волновой функции представляет собой что-то дополнительное. Оно, это дополнение, было введено после открытия Шрёдингером своего уравнения в попытке описать, что же видят экспериментаторы на самом деле. Хотя исходная, несколлапсированная волновая функция воплощает странную идею, что частица находится и тут, и там, экспериментаторы никогда не видят этого. Они всегда обнаруживают частицу определённо в том положении или другом; они никогда не видят её частично тут, а частично там; стрелка в измерительных приборах никогда не витает в состоянии некоторой призрачной смеси, указывая и на эту, и на ту величину.

То же самое происходит, конечно, при наших собственных повседневных наблюдениях окружающего мира. Мы никогда не видели, чтобы стул был и тут, и там; мы никогда не наблюдаем Луну одновременно в одной части ночного неба, а также и в другой; мы никогда не видим кота, который одновременно и жив, и мёртв. Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путём постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределённости и сделать одну из множества потенциальных возможностей (частица здесь или частица там) действительной.