Понять происходящее в микромире могут считанные единицы физиков-теоретиков на нашей планете. Да и их суждения вызывают яростные возражения коллег, а ведь это величины с мировым именем. Одним из вызывающих ожесточенные споры ученых является так называемый «эффект наблюдателя в квантовой физике».
Как проходят измерения в макромире
Если сказать простыми словами, то эффект наблюдателя это изменение параметров наблюдаемой системы в результате самого факта проведения наблюдения. В макромире параметры системы измерить довольно просто — достаточно приложить линейку или глянуть на термометр с барометром. А вот в микромире подобное измерение не пройдет. Правда и в макромире не все так просто. Предположим, требуется измерить напряжение в цепи. Но у вольтметра есть собственное внутреннее сопротивление, так что подключение его к цепи несколько изменит саму систему, следовательно, начальное напряжение в результате измерений несколько отличалось от полученного.
Наблюдатель в микромире
А вот в микромире, который описывается квантовой физикой, все гораздо сложнее. Классическим стал эксперимент, в котором исследовались волновые свойства электрона.
Через 2 интерференционные щели пропускался единственный электрон. На экране перед сторонним наблюдателем появились минимумы и максимумы — это значит, что возникла четкая интерференционная решетка. Получалось, что электрон прошел сразу сквозь обе щели, что в случае частицы невозможно, зато если электрон проявляет себя в качестве волны, то именно сквозь обе щели одновременно он и должен был пройти.
Затем экспериментаторы решили проследить, как конкретно электрон преодолевает обе щели одновременно. Но стоило сделать прохождение щелей доступным для стороннего наблюдателя, как интерференционная картина исчезла с экрана. Казалось, электрон полностью утратил свою волновую природу и превратился в обычную частицу. И уж точно проходит сквозь единственную щель, радикально игнорируя другую. Поначалу это явление поразило экспериментаторов — получалось, что именно присутствие стороннего наблюдателя резко изменило условия эксперимента, напрочь отрубив волновую функцию электрона. Дальнейшие эксперименты подтвердили наличие «эффекта наблюдателя».
Последующие рассуждения об эффекте стороннего наблюдателя в обязательном порядке приводят к «коту Шредингера».
Суть мысленного эксперимента предложенного крупным физиком-теоретиком сводится к логическим рассуждениям. В одну из 2 абсолютно одинаковых коробок, подсоединенных к баллону с ядовитым газом, помещают кота. Затем по сигналу из баллона случайным образом подается ядовитый газ в одну из коробок. Вопрос, жив ли кот, если коробки открывать нельзя?
Открытие коробки согласно вопросу меняет сами условия эксперимента. Так вот, все логические рассуждения приводят к единственно возможному, хотя и парадоксальному результату - «кот Шредингера» одновременно и жив, и мертв. Если этот эксперимент продлить дальше, и предложить сотне ученых проверять, жив кот или нет, то с момента подачи газа и до полного завершения проверки кот Шредингера будет находиться в суперпозиции живых и мертвых состояний.
С фотонами можно провести еще 1 весьма занимательный эксперимент.
Возьмем свободный фотон который летит в неопределенном состоянии. В этот момент его спин направлен одновременно и вверх, и вниз. Однако экспериментатор решает узнать спин электрона, для чего применяет поляризационный фильтр. Если поляризация (спин) фотона +1 он преодолевает фильтр, в случае поляризации равной -1 фильтр остается непреодоленным. Но! До момента измерения фотон находился в суперпозиции возможных состояний спина. Получается так: в момент начала измерения данных сторонним наблюдателем, электрон самостоятельно выбрал свой спиновый момент. Перед нами прямое проявление «эффекта наблюдателя» в квантовой физике.
Математические основы квантовой теории
Всякая наука содержит в себе столько истины, сколько в ней содержится математики. Представить себе квантовую теорию без какого-либо математического основания (аксиоматики) попросту невозможно. Свое видение этой аксиоматики представил известный математик и один из отцов современных компьютеров Джон фон Нейман. Рассматривая объект наблюдения и наблюдателя, ученый разделил проблему на 3 процесса:
- Процесс No1. Формулирование наблюдателем вопроса адресованного квантовому миру. Сам вопрос резко ограничивает систему в возможностях ответа. Невозможно ответить истинно словом "свинина" на вопрос, какие овощи были съедены за завтраком.
- Процесс No2. Изменение состояния волнового уравнения. Облако вероятности меняется по схеме описываемой волновым уравнением Шредингера.
- Процесс No3. Ответ на вопрос заданный в процессе No1, которым оказывается определенное состояние квантовой системы, как альтернатива может произойти «схлопывание» частицы.
Интерпретации
Приведенные выше выкладки требовали предания им некой формулировки понятной окружающим. В результате сложилось несколько интерпретаций «эффекта наблюдателя».
Нильс Бор создал свою версию рассуждений, где главная роль отводилась не системе, а наблюдателю. Это стало основой знаменитой Копенгагенской интерпретации. Сформулировать ее можно примерно так «Окружающая реальность представляет собой только вероятностную форму. Конкретный вид она обретает только с появлением стороннего наблюдателя».
Вольфганг Паули и Юджин Уилер после совместного анализа пришли к результату, что квантовая физика, в которую в качестве составной части включено сознание наблюдателя, вообще может быть несовместима с материалистическим взглядом на мир. Как писал по этому поводу Уилер «Вселенную в бытие приводит появление наблюдателя». В самом деле, подобный подход требует для перехода от вероятностного существования к конкретной реальности наличие внешнего сознания.