Почему ученые говорят, что квантовый мир такой странный? Давайте разберемся на примере из жизни, который поймет каждый, и затронем частые вопросы о квантовых явлениях. А поможет нам в этом Сергей Петрович Полютов — директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ.
Как понять квантовую механику с помощью детской игры
Представьте игру в «горячо-холодно»: дети прячут какой-то предмет — он реален, но вы не знаете, где он находится. Его могли спрятать буквально в любом месте вокруг вас, и набор этих мест — это «облако возможностей». И если в реальном мире предмет точно где-то находится, то в квантовом мире это не так.
Квантовая частица — это тот самый спрятанный предмет, который в «холодном» состоянии (без наблюдения, пока вам говорят «холодно») действительно находится везде одновременно (как размытое облако возможностей). А в «горячем» состоянии (при наблюдении, когда вам говорят «горячо») мгновенно материализуется в конкретной точке.
Квантовый предмет действительно находится везде, его никогда нет в конкретном месте. Но только до тех пор, пока вы на него не «посмотрите». Как только «посмотрели» — он «проявляется» в реальности.
Когда создавалась квантовая механика, состоялся знаменитый спор Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Теперь мы знаем, что Эйнштейн его проиграл:
он думал, что все частицы всегда имеют конкретное положение (прячутся в определенном месте, как в этой игре). Но эксперименты показывают: до взаимодействия, до наблюдения их буквально не существует в привычном нам смысле. Бор победил: его идея о «размытой реальности» подтвердилась. Мир на самом деле становится определенным только при «наблюдении».
Происходит любое взаимодействие — столкновение с атомом, поглощение фотона, даже гравитационное влияние, — и частица тут же «застывает» в конкретном состоянии. Она больше не везде одновременно, теперь это обычная частица с понятной траекторией и определенным местом. Хотя и тут есть нюанс: нельзя одновременно измерить и положение, и скорость (то есть, траекторию частицы), — так гласит принцип неопределённости Гейзенберга. Но это уже другая история.
Что это даёт нам?
- Новые технологии: сверхточные микроскопы, защищённая квантовая связь. Или квантовые компьютеры — их кубиты работают на этой «размытости», решая нерешаемые задачи.
- Философский переворот: реальность — не «готовый продукт», а процесс, зависящий от нашего вмешательства. Вселенная напоминает гигантскую квантовую игру, где правила диктует и наблюдатель-человек, и любое взаимодействие. Даже пылинка, столкнувшаяся с электроном, «решает», каким будет мир в этот момент.
Реальность — это постоянный диалог между возможностью и фактом. Мы не открываем мир — мы вызываем его к существованию каждым своим взаимодействием и наблюдением.
Что значит «наблюдать» в квантовой физике? Создает ли человек реальность в прямом смысле?
Любой человек создает реальность в прямом смысле, даже своим наблюдением за миром. Но влияние отдельного человека мало по сравнению с другими «наблюдателями». Наблюдение — это любое взаимодействие:
- фотон света, ударивший в частицу;
- столкновение с молекулой воздуха;
- даже просто гравитационное влияние.
Почему мы не видим этот эффект в обычной жизни?
Потому что в нашем мире все постоянно «наблюдается» миллионами взаимодействий. Ваша чашка кофе не размазана по столу, потому что:
- на нее светит солнце;
- ее касается воздух;
- она взаимодействует с гравитацией.
Эта чашка кофе подвергается ≈10²⁴ (секстиллион) взаимодействий в секунду! Квантовая «размазанность» коллапсирует быстрее, чем успевает проявиться, быстрее, чем мы ее можем увидеть глазами.
При этом есть еще и декогеренция: квантовая система теряет «размазанность» из-за взаимодействия с окружением. Чем больше система, тем быстрее это происходит. Для пылинки массой 10⁻¹⁵ кг декогеренция занимает ~10⁻¹⁹ секунд — вот почему мы не видим квантовых эффектов в быту.
По сути, свойства макрообъектов (например, твердость или цвет) — это усредненный результат триллионов «коллапсов» на микроуровне. Если бы всего этого не было, ваша чашка кофе находилась бы везде, во всей Вселенной.
Как ученые это доказали?
Самый красивый эксперимент — с двумя очень маленькими щелями:
Любые частицы проходят через две щели одновременно (как волна). Но стоит поставить детектор, чтобы понять, через какую щель проходит частица, — и они уже ведут себя как твердые шарики.
Наблюдение меняет мир. Именно об этом и был доклад Сергея Петровича в Шанхае.
Мы придумали, как описать все это математически.
Главные «наблюдатели» Вселенной: что заставляет квантовую магию превращаться в реальность?
В квантовом мире любой объект, взаимодействующий с системой, становится «наблюдателем». Но некоторые вносят особо сильный вклад в «проявление» реальности.
Гравитация — невидимый скульптор
Даже слабое гравитационное поле (например, от пылинки) может разрушить квантовую суперпозицию.
Чем массивнее объект, тем быстрее «коллапсирует» волновая функция. То есть, гипотетический кот Шредингера размером с мяч уже не может быть и живым, и мертвым сразу. Забавный факт: реальный кот не может находиться в этих двух состояниях одновременно, а его отдельные молекулы — могут! Парадокс возникает, если игнорировать декогеренцию.
Пример: звезды и планеты буквально «прибивают» квантовую неопределенность своим весом.
Фотоны — вездесущие шпионы
Каждый квант света, столкнувшийся с частицей, — это акт «проявления», даже если этот свет никто не видит. В теплой комнате каждый атом каждую пикосекунду бомбардируется миллионами фотонов и влияет на нашу реальность.
Космическая паутина — галактическая сеть наблюдений
Межзвездная плазма, облака космической пыли, темная материя (если она взаимодействует с обычной) постоянно «сканируют» Вселенную, не оставляя шанса квантовой неопределенности в макромире.
Черные дыры — ультимативные наблюдатели
Их горизонт событий работает как идеальный детектор. Любая информация, попавшая туда, навсегда теряет квантовую неопределенность. Возможно, вся наша Вселенная уже «проявлена» первичными черными дырами.
Вакуум — тихий дирижер
Виртуальные частицы постоянно рождаются и исчезают. Каждое такое событие — микро-наблюдение. Даже в абсолютной пустоте идет непрерывный процесс перехода от квантовой «микроскопической» к обычной «макроскопической» реальности.
Еще из интересного
Самые большие объекты, у которых удалось наблюдать квантовую суперпозицию, — молекулы из 2000 атомов. Эксперимент провели в 2019 году, и такие молекулы уже можно увидеть глазами. Пока это предел, после которого гравитация и окружение «проявляют» реальность. Для объектов тяжелее ~10⁻¹⁸ кг гравитация и декогеренция почти мгновенно разрушают квантовый мир.
Оказывается, Вселенная — это огромный квантовый компьютер, где каждое взаимодействие — «вычисление», а каждое измерение — «сохранение результата». Квантовая странность — не абстракция, а основа всего, что нас окружает. Мы буквально живем внутри «квантовой магии», просто не замечаем этого в повседневности!
Но роль сознания в создании реальности до сих пор обсуждают. Некоторые интерпретации (например, теория фон Неймана-Вигнера) допускают, что сознание влияет на коллапс волновой функции, но это не подтверждено экспериментально.
Квантовая механика не говорит, что реальность создается мыслью, но показывает: наш мир — это сеть взаимодействий, где «факты» рождаются из возможностей. Как заметил физик Джон Уилер:
«Вселенная — это квантовый феномен, который требует участия наблюдателя, — даже если это всего лишь фотон или пылинка».
И все же, мы не просто открываем мир — мы участвуем в его создании на квантовом уровне.
Эйнштейн говорил: «Бог не играет в кости». Оказалось: «Играет, пока никто не видит».