То, что частица может находиться в двух или более местах одновременно — это просто распространённое заблуждение о квантовой механике.
Действительно, квантовая механика — это теория, которая позволяет делать вероятностные предсказания о «наблюдаемых» (то есть измеримых) физических свойствах частицы, таких как её положение в пространстве. При условии, что нам бы действительно удалось измерить такое свойство, мы получили бы точное значение среди тех, которые допускает квантовая механика.
- Перед измерением, то есть когда мы не смотрим на частицу и поэтому не можем сказать, где она находится, квантовая механика сообщает возможные результаты измерения положения частицы.
- При эффективном измерении, то есть когда мы смотрим на частицу, таким образом, будучи в состоянии сказать, где она находится, мы видим её в фактическом (и точном) положении, совместимом с возможностями, допускаемыми квантовой механикой.
Как вы можете догадаться, ни в одном из двух приведённых выше утверждений не говорится, что частица находится или может находиться в двух или более местах одновременно.
Но тогда вы можете обеспокоенно спросить: где находится частица до измерения? Определённо, это законный вопрос!
Дело в том, что квантовая механика на самом деле не отвечает на этот вопрос и реально не заботится об этом. На самом деле, многие физики весьма довольны таким ограниченным «объёмом» квантовой механики, и просто заинтересованы в том, чтобы использовать её в той мере, в какой это технически возможно для проведения расчётов.
На самом деле, учитывая невероятную предсказательную силу квантовой механики, естественно попытаться её использовать также для разработки идей, которые могут помочь ответить на такие вопросы, как «где находится частица, когда мы на неё не смотрим?»
Для этого нам нужно выбирать онтологическую интерпретацию квантовой механики, то есть теорию того, как составляется реальность, по измерениям которой квантовая механика позволяет делать предсказания, чтобы такие предсказания были правильными. Это, безусловно, минное поле, где могут возникнуть всякие двусмысленности. На самом деле, если мы хотим ответить на такие вопросы, нам нужно сделать неконтролируемые онтологические предпосылки, на которых будет основываться математика квантовой механики.
В частности, некоторые интерпретации квантовой механики очень серьёзно относятся к математике, утверждая, что частицы, как мы их воспринимаем (как вещи, локализованные в пространстве) на самом деле не существуют и являются лишь категориями нашего восприятия. Скорее, они утверждают, что реальность состоит из странных сущностей, называемых волновыми функциями, которые непосредственно соответствуют математическим решениям уравнений квантовой механики. Волновые функции обладают странными свойствами...
- Волновая функция кодирует (в своей математической структуре) физические свойства, которые могут быть измерены с помощью экспериментов.
- Для любого из таких физических свойств волновая функция может одновременно передавать различные возможные значения.
- Каждое из этих значений является возможным результатом измерения соответствующего физического свойства до тех пор, пока фактически не будет проведен эксперимент (из которого выйдет одно из этих значений).
Учитывая, что одним из таких физических свойств, закодированных в волновой функции, является местоположение в пространстве, поскольку волновая функция может передавать сразу несколько состояний положения, в некотором смысле кто-то может сказать, что частица может рассматриваться во всех этих положениях одновременно (отсюда и название «суперпозиция»). Вот откуда происходит двусмысленность того, что частица может находиться в двух местах одновременно!
Однако даже при такой интерпретации предполагается, что частица способна оставаться в таком состоянии (множественности мест «одновременно») только до тех пор, пока нас не волнует, где она фактически находится. Если и когда мы делаем фактическое измерение её положения, мы всегда находим её в одном точном месте!
Это является источником самой большой нерешённой проблемы квантовой механики, то есть проблемы измерения.
- Как это происходит и что вызывает внезапное нарушение волнообразной природы частицы, когда мы делаем измерение?
- Что же такое на самом деле измерение? Играет ли в этом наблюдатель какую-то роль?
- Какова связь между волновой природой, которую частица, кажется, имеет до тех пор, пока мы не нарушаем её измерением, и точечной природой, которая, кажется, возникает как раз тогда, когда мы измеряем макроскопическое свойство, такое как положение в пространстве?
Как вы можете видеть, даже исповедуя онтологическую интерпретацию квантовой механики, всё ещё далеко не ясно.
На самом деле все трактовки квантовой механики находятся, так или иначе, в борьбе за здравый смысл и имеют какие-то проблемы на теоретическом или научном уровне. Ни одна из них не даёт окончательного ответа, и ни одна из них, очень вероятно, не сможет прийти к окончательному ответу в ближайшем будущем, потому что большинство из них являются теориями, которые не могут быть сфальсифицированы экспериментально.
По материалам публикации (англ.).