Алексрома

Космический ящик для Шредингеровского кота

По сообщению журнала New Scientist, известный физик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета намерен воспроизвести на практике мысленный эксперимент Шредингера с котом. Напомним, что согласно условиям этого мысленного упражнения, кроме кота в ящике находится также радиоактивная частица, счетчик Гейгера и баллончик с ядовитым газом, который срабатывает, когда счетчик фиксирует радиацию. Жизнь кота зависит от того, как поведет себя частица - как корпускула или как волна: в первом случае счетчик включается, во втором нет. По законам квантовой механики частица может находиться в суперпозиции, то есть одновременно в двух когерентных состояниях, и соответственно подопытная кошка в закрытом ящике одновременно и жива, и мертва. Или, если угодно, ни жива ни мертва. Однако, стоит нам открыть "черный ящик",  мы видим перед собой либо мертвую, либо живую кошку, что вполне соответствует нашим логическим представлениям о природе наблюдаемых явлений.

Изначально Шредингер задумал свой эксперимент как иллюстрацию логической несуразности основ квантовой механики, однако его кот оказался неожиданно живуч и приобрел столь большой вес в научных кругах, о котором его хозяин, похоже, и не мечтал. В квантовой механике Шредингеровский кот стал использоваться как иллюстрация декогеренции (разрушения) согласованных квантовых состояний (суперпозиций) под воздействием окружающей среды или вмешательства наблюдателя. Когда квантовая система вступает во взаимодействие со средой, в которой она находится, ее суперпозиция распадается, и она переходит в одно из альтернативных состояний, поэтому в окружающем человека макро-мире не встречается котов, одновременно и живых, и мертвых.

Один из парадоксальных выводов принципа квантовой неопределенности гласит, что частица может находиться в нескольких местах одновременно, и было доказано экспериментально не только для атомов, но и для сложных молекул. В частности, это ярко продемонстрировал д-р Антон Зейлингер из Венского университета. В поставленном им эксперименте молекула фуллерина, состоящая из 60 атомов углерода, проходила одновременно через два отверстия. Зейлингер уверен, что, усовершенствовав технику эксперимента, он сможет регистрировать суперпозиции еще более крупных объектов, вплоть до бактерий и даже котов.

Пенроуз придерживается противоположной точки зрения: он считает, что суперпозиции разрушаются не только под воздействием внешней среды, но и сами по себе, естественным путем. О возможности такого процесса говорил еще нобелевский лауреат Ричард Фейнман - он назвал это гипотетическое явление "объективной редукцией состояния". Исходя из идеи Фейнмана, Пенроуз намеревается воссоздать эксперимент Шредингера именно с тем, чтобы опровергнуть его выводы. Образно говоря, он пытается доказать, что в 50 процентов случаев кот в ящике сдохнет еще до того, как наблюдатель откроет крышку (констатировать преждевременную смерть кота теоретически легко - по признакам разложения трупа).

По мнению Пенроуза, объективная редукция состояния частицы может происходить под действием гравитации самой частицы. Он предполагает, что когда частица находится в суперпозиции состояний, пространственно-временной континуум, искривляемый гравитацией этой частицы (согласно теории относительности Эйнштейна), также находится в суперпозиции, то есть фактически мы имеем не одно искривление пространства-времени, а два. Таким образом, получается, что частица находится сразу в двух местах. Кроме того, каждому из состояний частицы соответствует свое значение гравитационной энергии по отношению к окружающим ее объектам, поэтому возникает неопределенность в отношении энергетического состояния всей системы в целом.

Согласно общепризнанному принципу неопределенности Гейзенберга, при допущении значительной степени неопределенности в отношении энергии системы, эта энергетическая неопределенность может существовать лишь в течении короткого промежутка времени. Развивая это положение, Пенроуз приходит к заключению, что все суперпозиции по своему определению нестабильны и их существование ограничено определенным отрезком времени. При этом чем крупнее объект, находящийся в состоянии суперпозиции, тем больше энергетические различия между отдельными его состояниями, и, следовательно, тем больше энергетическая неопределенность и тем быстрее объект переходит из суперпозиции в одно из определенных состояний. По оценкам Пенроуза, суперпозиция объекта, соизмеримого по размеру и массе с протоном, может длиться миллионы лет. Суперпозиция атомов и молекул распадается значительно быстрее, но все-таки достаточно медленно для того, чтобы ее можно было зарегистрировать опытным путем, как это делает Зейлингер. Однако, гравитационная энергия объектов размером с кошку препятствует существованию суперпозиции дольше миллионных долей секунды.

Если Пенроуз экспериментально докажет свою идею, ему удастся осуществить то, чего безуспешно добиваются физики на протяжении 70 лет - посмертно примирить Эйнштейна с Гейзенбергом и слить теорию относительности с квантовой механикой в единую научную систему под названием "квантовая гравитация". Однако, практическое воссоздание эксперимента Шредингера с котом, несмотря на его концептуальную простоту, нелегко осуществить технически. На бумаге вся конструкция выглядит не сложнее ящика для кота: вместо животного используется микроскопический кристалл размером в 10-15 атомов, который облучается расщепленными лазерными лучами когерентных фотонов. В теории, фотон в состоянии суперпозиции, сталкиваясь с кристаллом и незначительно сдвигая его, также переводит его в суперпозицию. Остается только замерить время, в течение которого кристалл будет находиться в этой суперпозии (для этого используется система зеркал и датчиков). Согласно стандартной квантовой модели, суперпозиция будет продолжаться до тех пор, пока на нее не подействует внешняя среда (в эксперименте Шредингера - пока наблюдатель не откроет крышку ящика с котом). С другой стороны, согласно оценкам Пенроуза, суперпозиция кристалла из 15 атомов (что по меркам квантовой механики достаточно много) должна разрушиться естественным путем, или "объективно редуцироваться", за 0,1 секунды.

Практическое осуществление эксперимента осложняется тем, что сдвинуть подобный кристалл с места может лишь фотон рентгеновского спектра излучения, но такие фотоны обладают повышенной проникающей способностью, и их чрезвычайно сложно добиться их отражения от зеркал, что необходимо для произведения замеров. Кроме того, по условиям эксперимента фотон должен находиться в состоянии полета не менее 0,1 секунды, а это значит, что он должен пройти расстояние, примерно равное диаметру Земли. Одно из решений этой технической проблемы - провести эксперимент в космосе на двух платформах. В память о коте Шредингера Пенроуз решил назвать своё опытное сооружение кошачьим именем Феликс (FELIX: Free-orbit Experiment with Laser-Interferometry X-rays).

Подавляющее большинство квантовых физиков считают, что Пенроуз неправ в своих предположениях, однако поддерживают проведение эксперимента хотя бы для того, чтобы убедиться в ошибочности идеи "объективной редукции". Сам д-р Пенроуз заявляет, что его озадачивает не сама загадка Шредингеровского кота, а то, с какой готовностью люди принимают на веру этот логический абсурд и с каким упорством они его защищают.