Квантовая механика и парадоксы сознания - Александр Петрович Никонов

Обозначим нахождение частицы в левой коробке значком ψ1, а в правой – ψ2. Вероятность частицы оказаться в левой коробке обозначим как Р1, а в правой – Р2. Предположим, эти вероятности равны, но в данном случае для нас это неважно.

Тогда общее состояние системы до замера будет записано формулой:

Ψ = Р1 ψ1 + Р2 ψ2,

что означает: с вероятностью Р1 частица окажется в левой коробке, а с вероятностью Р2 – в правой. Это и есть сумма состояний. Суперпозиция[10].

А что будет после замера?

А после замера по какой-то неведомой и не вытекающей из квантовой механики причине состояние системы запишется как:

Ψ = ψ1 или Ψ = ψ2,

то есть нечто эфемерное и размазанное превратится в реальную частицу, лежащую в левом или правом ящике. А куда же денется еще один член формулы?

Редукция выскакивает как черт из табакерки и ломает всю математику, хотя из самой линейной математики, повторюсь, этого никак не следует. Но это следует из реальности, нас окружающей.

Или все-таки нам редукция только мерещится, ведь из математической физики она никак не вытекает? Либо, напротив, ничего не мерещится, а просто квантовая механика хромает, она недоработана, неполна?

На этот вопрос мы уже отвечали – полнее некуда. За сто лет не было обнаружено ни одного факта, который бы противоречил квантовой механике. Она всегда выигрывает у своих оспаривателей. Более того, она ежедневно проверяется практикой. Именно на квантовой механике, точнее, на обсчитываемых ею квантовых эффектах работают современные устройства. Квантовая механика давно уже не теоретические разглагольствования физиков, а надежный рабочий инструмент инженеров. Все последние полвека нас буквально окружают приборы, основанные на квантовых эффектах: транзисторы и микрочипы, резонансные туннельные диоды и лазеры, туннельные микроскопы, знакомые всем устройства с аббревиатурами МРТ и GPS, силовые микроскопы (которые позволяют манипулировать отдельными атомами). Сюда же надо отнести квантовую криптографию и квантовую информатику (которая, правда, пока еще находится в эмбриональном состоянии). По оценкам некоторых экономистов, до трети ВВП развитых стран связано с технологиями, которые были бы невозможны без квантовой механики.

В общем, инструмент это рабочий, надежный, и почему он ломается в момент измерения и допускает коллапс, то есть отстрел куска формулы, непонятно. Это может показаться ерундой – в конце концов, что такое математика, она же как бы не существует! Опытная физическая реальность важнее абстрактных математических придумок! Впрочем, о «существовании» и «реальности» математики мы еще поговорим, а равно и о том, что именно голая математика, по-видимому, и лежит в базисе физического мира, то есть разговор о разных гранях существования и бытия у нас впереди. Но вообще, если в работающей и непротиворечивой теории существует такая неожиданная вещь, как произвольное выкидывание формул в помойку и директивно-командное указание – «внимание, теперь остается только один кусок уравнения!» – это вызывает смутные подозрения. Что-то здесь явно не так!

А где «здесь»? В какой момент мы должны отказаться от великолепного формализма, чтобы сказать: вот именно в этот момент начинается реальность, а Великая Неопределенность квантовой механики заканчивается самым постыдным (для математики) образом?

Может быть, коллапс волновой функции происходит в момент взаимодействия квантовой системы с макроприбором? Велик соблазн сказать, что так и есть. Маленький нежный волнительный «микромирчик» не выдерживает столкновения с весомым, грубым, зримым макромиром. И убивается об него, бедняжка. Но…

Но ведь любой большой прибор состоит из микрочастиц. И если мы будем последовательными парнями, то можем продолжить играть в наши физические формулы. Что нам мешает включить в квантовую систему и прибор, также состоящий из квантов? По уму, квантовая частица, вступив во взаимодействие с другими частицами (прибором) должна запутаться с ними. И у них должна образоваться общая судьба в виде общей волновой функции.

Предположим, мы меряем, в какой черной коробке оказалась белая частица, с помощью физического прибора – какого-нибудь регистратора со стрелкой или фотофиксатора. Тогда, если частица окажется в левой коробке, состояние прибора, указавшего стрелкой влево, обозначим как Ф1, если в правой – Ф2. Ну, а состояние прибора до замера обозначим Ф0 (стрелка по центру шкалы). Тогда состояние всей системы до замера запишется так:

(Р1 ψ1 + Р2 ψ2) Ф0 = Р1 ψ1 Ф0 + Р2 ψ2 Ф0.

Что мы тут видим? Ту же суперпозицию из двух возможных состояний, только с включенным в систему прибором, который пока еще не сработал. А когда сработает, система будет описываться так:

Ψ = Р1 ψ1 Ф1 + Р2 ψ2 Ф2.

Первое слагаемое – частица с вероятностью Р1 окажется в состоянии ψ1, заставив при этом прибор указать стрелкой на левый ящик (Ф1). Второе слагаемое – частица с вероятностью Р2 окажется в правом ящике (ψ2), заставив прибор принять состояние Ф2 (его стрелка отклонилась вправо).

Ну, и где вы тут видите какую-то редукцию? Как была сумма, то есть суперпозиция вариантов, так и осталась!

А зачем, кстати, мы включили в схему макроприбор, фиксирующий состояние? Почему обесчеловечили ситуацию? Мы ведь прекрасно можем открыть коробку и сами посмотреть – чего там творится. Соответственно, физическим прибором можно вполне посчитать и человеческий глаз. И мозг, в котором происходит обработка и фиксация информации. И как тогда будет выглядеть формула, если Ф1 и Ф2 обозначают не разные состояния прибора со стрелкой, а разные состояния мозга с его разными биофизическими реакциями, фиксирующими тот или иной вариант? Да точно также!

Р1 ψ1 Ф1 + Р2 ψ2 Ф2.

Чтобы продемонстрировать тот факт, что квантовую неопределенность (суперпозицию) можно вытащить из микромира в реальный мир, Эрвин Шрёдингер и придумал свой знаменитый мысленный эксперимент, получивший название «кот Шрёдингера». Вы наверняка про этот эксперимент знаете, он описан в тысячах популярных книг и даже попал на футболки и кружки вместе со знаменитой формулой Эйнштейна.

Итак. У нас есть большой черный ящик, в котором сидит кот. Его туда посадил сам Шрёдингер, загадочно улыбаясь. А также приладил к ящику хитрое устройство. В его составе атом, который в течение некоего срока может распасться с вероятностью 1/2. Если он распадается, прибор это улавливает и приводит в действие молоток, разбивающий ампулу с синильной кислотой, убивающей кота.

Как нам по прошествии указанного срока узнать, кот жив или мертв? Состояние атома описывается суммой, то есть с точки зрения квантовой механики атом находится в состоянии суперпозиции: он одновременно и распавшийся и нераспавшийся.