Давайте более внимательно проанализируем настройку интерферометра частиц из прошлой главы. Не забывайте, при входе в устройство волновая функция единственного атома разделится на два компонента, каждый из которых пойдет по одному из двух ответвлений прибора. Хотя я и должен описывать атом с помощью волновой функции, я понимаю, что должно происходить нечто странное, так как на выходе из прибора я вижу реальный сигнал интерференции. Я также знаю, что, если я загляну сквозь окошко в одно из ответвлений интерферометра, чтобы проверить, прошел ли атом по этому маршруту, я увижу лишь половину атомов. Но теперь, само собой, картина интерференции пропадет.
Чтобы упростить понимание, я допущу, что засекаю атом, открывая маленькое окошко в ответвлении и замечая крошечную вспышку, когда свет отражается от пролетающего мимо атома. Что же произойдет, если я решу закрыть глаза? Теперь у меня не будет информации о том, каким путем пошел атом. Означает ли это, что картина интерференции вернется? Это подразумевало бы, что физический акт опускания век контролирует исход эксперимента. Аргумент не слишком убедителен. Теперь становится очевидным, что измерение все равно происходит, поскольку я открыл окошко и позволил свету проникнуть внутрь и вступить во взаимодействие с атомами. Картина интерференции исчезает вне зависимости от того, открыты ли у меня глаза. Само собой, я мог бы утверждать, что сигнал интерференции в конце все еще остается возможным исходом (на самом деле одним из трех – атом либо был обнаружен в этом ответвлении, либо не был в нем обнаружен и, должно быть, прошел сквозь другое ответвление, либо был и обнаружен – с помощью света, проникающего в окошко, – и не обнаружен одновременно). Третий из вариантов представляет собой состояние кота Шрёдингера (который жив и мертв одновременно) и приводит к регистрации интерференции интерферометром. Конечно, открыв глаза, я не могу увидеть этот вариант, и сторонники идеи о сознательном наблюдателе утверждают, что именно то, вижу я атом или не вижу, в итоге устраняет вариант, который приводит к возникновению интерференции.
Проблема становится яснее, когда мы устанавливаем возле окошка в ответвлении интерферометра инструмент, который фиксирует вспышку света при прохождении атома мимо окошка и запоминает ее. Этот инструмент играет ту же роль, что и кот Шрёдингера в коробке. Разве инструмент способен существовать в суперпозиции фиксации и нефиксации вспышки?
В целом мы можем выделить два отдельных вопроса, связанных с проблемой измерения в квантовой механике:
(i) Почему мы не можем увидеть суперпозиции таких макроскопически различимых состояний (к примеру, одновременно живых и мертвых котов или регистрирующие и не регистрирующие сигналы приборы)? В конце концов, когда окошко закрыто, мы видим эффект такой суперпозиции в интерферометре и, конечно, в эксперименте с двумя прорезями. Но там состояния относятся к микроскопической шкале и связаны с поведением отдельных атомов.
(ii) Даже если бы существовал способ избавиться от этих неопределенных состояний кота Шрёдингера до установления наблюдения, разве нам не нужен был бы дальнейший коллапс волновой функции, чтобы устранить все оставшиеся варианты, за исключением того, который мы видим в итоге? Таким образом, кот Шрёдингера мог бы быть жив, мертв или и жив, и мертв одновременно. Устранение последнего варианта не дает нам информации, какая из двух оставшихся возможностей исчезнет, когда мы откроем коробку.
В атомном интерферометре волновая функция атома вынужденно пребывает в суперпозиции следования по обоим ответвлениям одновременно. Но если открыть в одном из ответвлений окошко, чтобы проверить, каким путем она прошла, соответствующий другому ответвлению компонент волновой функции сразу же схлопнется до нуля. Даже не засекая движения в наблюдаемом ответвлении, мы все равно заставляем квантовую реальность стать определенной частицей, которая в таком случае следует по другому ответвлению.
Декогеренция
В 1980-х и 1990-х годах первая часть проблемы прояснилась. Физики наконец поняли, что происходит, когда изначально изолированная квантовая система, такая как отдельный атом, прекрасно чувствующая себя в суперпозиции, становится запутанной с макроскопическим объектом. Как выяснилось, суперпозиция различных состояний, в которой вынужденно оказывается столь сложная система, включающая в себя триллион триллионов атомов, просто не может существовать достаточно долго и очень быстро исчезает, или декогерирует. Можно сказать, что деликатная суперпозиция безвозвратно пропадает среди колоссального числа других возможных суперпозиций, соответствующих различным возможным комбинациям взаимодействий между всеми атомами макроскопической системы. Восстановление оригинальной суперпозиции немного похоже на попытку перетасовать колоду карт таким образом, чтобы все четыре масти оказались отдельно друг от друга, однако осуществить его гораздо более сложно.
Декогеренция представляет собой реальный физический процесс, который постоянно происходит повсеместно. Он запускается, когда квантовая система теряет изоляцию от окружающей макроскопической среды, а ее волновая функция становится запутанной со сложным состоянием этой среды. Средой может быть что угодно – от фоточувствительного экрана до электронного устройства и даже до окружающих систему молекул воздуха. Если связь с этой внешней «средой» оказывается достаточно прочной, изначальная деликатная суперпозиция очень быстро теряется. На самом деле декогеренция представляет собой один из самых быстрых и эффективных процессов во всей физике. Именно эта выдающаяся эффективность и стала причиной, по которой декогеренция так долго не была открыта. Только сегодня физики понимают, как ее можно контролировать и изучать. В Главе 10 я опишу несколько проведенных в последние годы примечательных экспериментов, в которых мы действительно можем увидеть декогеренцию в действии.
Строго говоря, физики утверждают, что волновая функция среды теряет все остатки изначальных корреляций между двумя своими запутанными частями. Пожалуй, ярче это можно описать следующим образом: как только квантовая суперпозиция становится запутанной с внешним миром, вся странность пропадает так быстро, что мы не успеваем засечь ее с поличным.
Процесс декогеренции по-прежнему активно изучается и еще не до конца понят. Но мы хотя бы можем начать распутывать первую часть проблемы измерения. Мы никогда не видим кота Шрёдингера живым и мертвым одновременно, потому что декогеренция в коробке происходит задолго до того, как мы ее откроем. Здесь дело даже не в коте – все случается гораздо раньше из-за наличия устройства, в котором заключены радиоактивное ядро и яд. Именно это и формирует макроскопическую среду, непосредственно окружающую радиоактивное ядро.
Мы можем применить идею декогеренции и к другому примеру – той ситуации, когда детектор регистрирует, по какому из ответвлений интерферометра или сквозь какую из прорезей прошел атом. Здесь все объясняется проще. Чтобы получить информацию о положении атома, детектор должен установить связь с волновой функцией атома, и их запутанность быстро приводит к декогеренции. Обратите внимание, я написал «с волновой функцией атома», а не «с атомом», так как, если детектор не обнаружит атом, это будет означать, что тот пошел другим путем. Кроме того, это «измерение» уничтожит картину интерференции. Так что, хотя детектору и атому нет нужды вступать в физическое взаимодействие в классическом смысле, но с волновой функцией он все же оказывается в запутанном состоянии.
Без детектора, установленного за одной из двух прорезей, декогеренцию провоцирует второй экран. Однако в этом случае остановить появление картины интерференции уже невозможно – две части волновой функции атома слишком долго оставались одни, чтобы между ними возникла интерференция. Само собой, весь фокус с двумя прорезями нужно проводить в вакууме, ведь иначе атом будет сталкиваться с молекулами воздуха и сбиваться с пути. Это все равно что сказать, что декогеренцию в таком случае будет вызывать сам воздух. Впрочем, я чересчур небрежно подобрал слова. Используя фразы вроде «сталкиваться с молекулами», я представил это так, словно атом уже представляет собой классическую частицу с предопределенным положением. Теперь мы знаем, что до декогеренции и проведения измерения мы можем описать атом только при помощи его волновой функции.
