Знание-сила, 2001 № 08 (890) - [12]

Это не так уж мало, как может показаться. Представьте себе экран с двумя шел ям и. Направьте на него поток электронов, одного за одним. Позади этого экрана со щелями поместите фотопластинку. После прохождения через щели достаточного количества электронов на фотопластинке образуется чередование светлых и темных полос – светлые там, куда электроны вообще не попали, темные – там, куда они попали. Повторите этот опыт с лучом света. Получится та же картина. Но ведь свет – это электромагнитные волны. Уже давно известно, что такую картину на фотопластинке после прохождения экрана с двумя щелями свет дает только потому, что каждая волна проходит сразу через обе шели, разделяется при этом на две, а те затем гасят или усиливают друг друга – отсюда светлые и темные полосы. Выходит?.. Вот именно: выходит, что микрочастицы тоже обладают волновыми свойствами. Они тоже могут проходить через обе щели одновременно. Как – не спрашивайте, представить это наглядно нельзя (во всяком случае, до тех пор, пока представляешь себе микрочастицу именно как «частицу»). Как же поступают в таком случае ученые? Согласно замечательному выражению одного из них, пользуются математикой, «которая работает даже там, где воображение уже отказывает». И постепенно привыкают. Когда некий студент пожаловался своему научному руководителю, что не понимает выражения «пространственное распределение вероятности», тот ответил: «Это не нужно понимать, нужно привыкнуть этим пользоваться».

Уравнение Шредингера как раз и есть такая математика. Оно позволяет, минуя воображение и наглядное представление, вычислить волновую функцию микрочастицы после ее прохождения через двущелевой экран в описанном выше опыте. Эта функция оказывается, как говорят, «наложением» (математически – «суперпозицией») двух волновых функций: одна описывает дело так, словно микрочастица прошла через одну щель, другая – так. будто она прошла через дру!7ю щель. Наложение двух таких «облаков вероятностей» приводит к образованию на фотопластинке нового облака, соответствующего чередованию сгущений и отсутствий микрочастиц.

А где «в действительности» находится все это время между экраном и фотопластинкой наша микрочастица? – наверняка спросите вы, нарушая все законы квантово-механической корректности. В каком состоянии она «в действительности» пребывает?

А вот в смеси состояний и пребывает. В этой… в «суперпозиции». И чтобы показать вам всю нелепость ваших некорректных вопросов и настойчивых попыток наглядно, то есть в макроскопических понятиях, представить то, что происходит в микромире, рассерженный квантовый механик начнет объяснять вам всю разницу между макро- и микромиром и невозможность «понимания» микрочастиц как своего рода обычных шариков, только «очень маленьких».

Шредингер был веселым человеком, во всяком случае – в молодости. Ему были скучны долгие разъяснения. Поэтому он придумал пример, который быстро и убедительно показывал, к какому абсурду приводят попытки «представить себе» законы поведения микрочастиц с помощью наглядных макроскопических тел. И в качестве такого «тела» он решил взять кошку (или кота, если вам угодно).

Вообразите себе яшик, в котором заперта кошка. Рядом с ней в том же ящике находится бутылочка с ядовитым газом. Бутылочка может быть открыта дистанционно и автоматически, с помощью фотоэлемента- Фотоэлемент находится в другом яшике, вместе с летающим там атомом радиоактивного элемента. Атом радиоактивного элемента имеет определенную вероятность распасться в течение любого определенного времени – например, одной секунды или одного часа. «Имеет вероятность» – это значит, что он может распасться, а может не распасться. Как описать состояние такой квантово-механической системы, которая имеет какую-то вероятность спустя секунду или час пойти по тому «жизненному пути» или по другому? В такой формулировке это сразу напоминает нам опыт с микрочастицей и двумя щелями. Правильно. Состояние такого радиоактивного атома тоже представляет собой смесь двух состояний – «состояния распада» и «состояния не-распада». Прекрасно. Но мы упорно желаем представить себе такую «смесь» наглядно, в макроскопических терминах. За это желание мы и будем сейчас наказаны.

Если атом распадется, он испустит при этом квант света. Этот квант упадет на фотоэлемент и приведет его в действие. Фотоэлемент откроет бутылочку с газом, и бедная кошка умрет. Но это не самое худшее, на что она обречена из- за нашей одержимости «наглядностью». Ведь если атом не распадется, она не умрет. Иными словами, ее состояние – в придуманных Шредингером условиях – зависит от состояния атома. А в каком состоянии находится атом в каждый данный момент? В смеси состояний? Ага. В каком же состоянии находится в каждый данный момент кошка (пока мы еще не знаем исхода эксперимента)? Правильно: в смеси состояний, которая лучше всего описывается выражением «ни жива ни мертва». В буквальном смысле.

Кошка Шредингера (или кот, если угодно) – совершенно, абсолютно, предельно несчастное животное, куда более несчастное, чем Ромео и Джульетта. Те были сначала живы, а потом мертвы, увы, а эта-этот кошка-кот (Ромео и Джульетта в одном лице) каждое мгновение «размазан» – по жизни и смерти одновременно. И все потому, что мы сделали его состояние напрямую зависимым от состояния микрочастицы.