Глава 7. Парадоксы квантового мира
Мир квантовой механики таит в себе множество удивительных загадок. Одним из примеров является парадокс Эллсберга10.
Представьте такую ситуацию. В непрозрачную ёмкость кладут 90 одинаковых красных, чёрных и жёлтых шаров. Известно, что красных из них ровно 30. Количество чёрных и жёлтых неизвестно. Вам предлагают два раза поспорить о том, шар какого цвета будет вытащен наугад. В каждом споре у вас есть два альтернативных варианта выбора.
В первом споре:
Вариант №1 – вы победите, если случайно достанут красный шар.
Вариант №2 – вы победите, если случайно достанут чёрный шар.
Во втором споре:
Вариант №3 – вы победите, если случайно достанут красный или жёлтый шар.
Вариант №4 – вы победите, если случайно достанут чёрный или жёлтый шар.
Признаюсь, когда я впервые познакомился с парадоксом Эллсберга, то практически сразу, можно сказать, интуитивно, выбрал вариант №1 в первом споре и вариант №4 во втором. Не удивлюсь, если такой же выбор сделали вы. Во всяком случае, подавляющее большинство людей предпочитают именно эти варианты пари, другие альтернативы выбирают очень редко.
Подобные результаты теста труднообъяснимы. Даже поверхностный математический расчёт показывает, что нет никаких объективных оснований предпочесть один вариант другому. Во всех случаях шансы выиграть спор примерно равны. Следовательно, все четыре возможных альтернативы должны получать примерно по 25% голосов тестируемых. Тем не менее, большинство людей выбирает вполне определённую комбинацию №1 и №4. Но почему?
Видимо, дело в том, что в этом тесте человеческое сознание сталкивается с логикой квантового мира и в этот момент происходит нечто необычное.
Вначале испытуемый имеет дело с вероятностью. Он быстро просчитывает, что шанс случайно вытащить красный шар составляет 33,3%.
Но на следующем этапе теста испытуемый сталкивается с неопределённостью. Он не может рассчитать вероятность получения нужного шара. Соотношение чёрных и жёлтых шаров может быть и 30 к 30, и 59 к 1. Следовательно, совершая выбор, надо объединить известную вероятность с неизвестной. Классическая логика принятия решения перестаёт работать.
Но на основании чего делается выбор, как правило, совершенно математически некорректный? Напрашивается почти фантастическое объяснение. Неужели большинство людей строит свой выбор на логике квантового мира, как раз известного своей парадоксальностью?
Когда учёные просчитали на компьютере, какие из вариантов спора предпочтительны с точки зрения теории квантовой вероятности, то получили ожидаемый, но от этого не менее удивительный ответ – первый и четвёртый. Чем это объяснить? Пока что совершенно непонятно.
Зато, некоторые квантовые загадки физикам, возможно, удалось решить. Так, в частности, сегодня сформулировано достаточно правдоподобное объяснение неопределённого состояния нашего кота в коробке.
Решение связано с хорошо известным явлением декогеренции, при котором любая система неизбежно смешивается с внешней средой.
Смысл в том, что при проведении эксперимента невозможно абсолютно изолировать кота от внешнего мира. Он все равно контактирует с коробкой, воздухом, элементарными частицами, космическим излучением. И все эти взаимодействия неизбежно искажают волновую функцию.
Любой внешний контакт может вызвать её коллапс. И тогда она естественным образом распадается на две не взаимодействующие волновые функции мёртвого и живого кота. А это значит, что кот уже жив или мёртв до самого акта наблюдения – открытия коробки.
Чтобы кот находился в Суперпозиции, его волновая функция должна быть строго синхронизирована. Это состояние называется когеренцией. Его можно создать в очень сложной лаборатории, но в реальном мире полностью изолировать объект от окружающей среды вряд ли возможно.
Это достаточно убедительное объяснение, однако, оно по-прежнему не даёт ответа на главные вопросы.
Как Природа «выбирает» в какое состояние должна коллапсировать волновая функция?
Кто или что определяет итоговое состояние кота?
Декогеренция показывает разделение двух волновых функций, но ответа на главный вопрос – жив кот или мёртв – по-прежнему нет.
Более того, «злоключения» кота Шрёдингера на этом не закончились. Таинственный квантовый мир припас ещё одну, связанную с ним, загадку, известную как парадокс друга Вигнера11.
Юджин Вигнер усложнил мысленный эксперимент с котом и на выходе получил результат, ещё более шокирующий, чем изначальный. Суть модернизированного опыта в следующем.
Допустим, когда экспериментатор открывает ящик, он обнаруживает состояние «атом не распался, кот жив». Учёный абсолютно убеждён в этом, для него это неоспоримый факт, он лично видит довольного мурлыкающего кота.
В то же время вне лаборатории находится друг Вигнера, который пока что не знает, жив кот, или мёртв. Для него по-прежнему система находится в состоянии Суперпозиции. Но как только Вигнер сообщит ему результат эксперимента, друг также признает кота живым.
Теперь предположим, что друзей у учёного несколько. Разумеется, каждый из них признает кота живым лишь тогда, когда получит абсолютно достоверную информацию о реальном состоянии животного от своего друга-экспериментатора.
А что если друзей очень-очень много, что если с Вигнером дружит всё человечество или, того хуже, многочисленные инопланетные учёные?
И здесь возникает парадоксальный нюанс.
Получается, что сколь долго не делись информацией с друзьями, в бескрайнем космосе всегда найдётся хоть кто-то, кто не знает истинное состояние кота и уверен, что система всё ещё находится в состоянии Суперпозиции.
То есть, объективно, кота можно будет признать достоверно живым лишь тогда, когда о результате эксперимента будет сообщено всем без исключения наблюдателям во Вселенной, что трудно реализуемо, если вообще возможно в принципе.
Но до тех пор в масштабе Космоса кот Шрёдингера всегда остаётся одновременно полуживым и полумёртвым.