Хорошая статья. В ней рассматривается проблема квантовой суперпозиции: каков ее физический смысл и как ее нужно правильно понимать?
Вывод, на мой взгляд, совершенно правильный: если, согласно описанию математического формализма квантовой механики, квантовая система до измерения "находится" одновременно в двух (или более) состояниях, то это вовсе не значит, что она до измерения действительно (объективно, физически) одновременно "находится" в двух состояниях. Это лишь означает, что она может находиться в этих двух состояниях (с одинаковой или разной вероятностью). Но в действительности, в реальности, она в каждый момент времени находится только в одном состоянии. А когда мы проводим измерение - мы просто фиксируем, определяем это состояние.
"В статьях вы прочитаете: «Прежде, чем вы измерите положение электрона, электрон находится в двух местах одновременно». Это вводит в заблуждение.
Правильные слова: «Прежде чем вы измерите, есть два результата, которые ваше измерение может получить». После измерения вы знаете, где находится электрон, поэтому математика обязательно должна этому соответствовать. Поэтому вы просто заменяете вектор состояния на определенный.
Или вот вам старый добрый кот. «Прежде чем вы посмотрите в ящик, кот и жив, и мертв».
Правильно было бы: «Прежде чем вы посмотрите, ваши будущие измерения могут показать, что кот либо жив, либо мертв». После того, как вы посмотрите, вы узнаете реальность, поэтому вы заменяете это состояние суперпозиции на состояние, отражающее нынешнее известное состояние кота".
Все так. Проблема в том, что физики (и еще более математики) - люди в каком-то смысле довольно туповатые.
Почему физики тупят?
Нет, они, конечно, по-своему люди очень умные - они хорошо владеют логикой и абстрактным мышлением. Но они так много и часто возятся с математическими формулами, что в какой-то момент они уже перестают понимать, где заканчивается математика и формулы, а где начинается реальный физический мир. И они вечно путают математику (математический формализм) с физикой, a свои физико-математические модели - с объективной физической реальностью. А после того, как физики увлеклись вздорной философией позитивизма - они стали только еще тупее, и запутались уже окончательно.
С появлением квантовой механики эта проблема приобрела особенно острую форму. Математический аппарат квантовой механики работает очень хорошо, но вот что именно он описывает - то есть какова объективная физическая реальность, лежащая в основе квантовых явлений - об этом физики спорят до сих пор.
И некоторые из них почему-то решили, что если, согласно математическому формализму квантовой механики, квантовая система до измерения описывается как "находящаяся" одновременно в двух разных состояниях (в суперпозиции) - то она и в самом деле, объективно, до измерения может одновременно находиться в двух разных состояниях. То есть что, например, фотон или электрон до измерения могут одновременно находиться в двух разных местах. Или что атом может находиться одновременно в состоянии "распался" и "не распался".
Но нет. Все это глупости, конечно. Каждая частица в любой момент времени может находиться только в одном месте. А каждый атом может быть либо "распавшимся", либо "не распавшимся", но никак тем и другим одновременно. Не бывает кошек, которые могут быть одновременно и живыми, и мертвыми. И атомов, которые одновременно "распались" и "не распались", тоже быть не может.
Вся проблема в том, что до измерения у нас нет никаких возможностей определить, в каком квантовом состоянии находится квантовая система. И поэтому ее состояние до измерения мы математически описываем как суперпозицию разных состояний, с разной вероятностью. Я там попытался объяснить все это на простом примере:
"Представьте, что в ящик через дырочку запустили пчелку, которая летает в ящике совершенно непредсказуемым, хаотическим образом. А потом физика (с его другом математиком) попросили бы сказать, где, в какой именно точке ящика, находится пчелка, при том, что внутри ящика мы ее наблюдать не можем. Что бы ответили два этих тупицы? Они бы ответили примерно так, как вы написали: "Пчелка находится непонятно где. Хрен ее знает, где она находится! Где-то в ящике!" Или: "Пчелка нигде конкретно не находится". Или: "Пчелка находится в каждой точке внутри ящика, но с разной вероятностью: ее местоположение ближе к центру ящика более вероятно, чем вблизи стенок".
И именно так физики в квантовой механике и отвечают. А весь этот сложный математический аппарат КМ - просто тот же самый ответ в "научной строго-математической форме".
Абсолютная случайность как особенность квантового мира
Почему все эти странности и путаница в понимании формул возникли только в квантовой механике? Ведь в классической физике таких проблем не возникает. Объясняется это двумя особенностями квантового мира.
Первая состоит в том, что в квантовом мире присутствует абсолютная случайность. В макромире и классической физике никакой "случайности" быть не может, в природе царит абсолютный детерминизм, и если в классической физике где-то появляются вероятности, то только потому, что либо мы не знаем начальных условий, либо система слишком сложная. Но она все равно абсолютно детерминированная.
Скажем, если мы при подбрасывании монетки (макрообъект) не можем точно сказать, что выпадет - "орел" или "решка", то вовсе не потому, что в полет монеты вмешивается случайность - просто просчитать полет монеты в точности довольно сложно. Но весь процесс полета монеты - с момента ее подкидывания до момента ее остановки и выпадения "орла" или "решки" - абсолютно детерминированный, и, теоретически, если мы учтем все силы, может быть описан классической физикой Ньютона.
А вот в квантовом мире это не так - в нем присутствует самая настоящая случайность. Ничем не обусловленная, а потому в принципе не поддающаяся какому-либо описанию. И эту случайность мы можем описать только через вероятностные величины.
Именно отсюда вытекают многие "странности" квантовой механики. Наш разум так устроен, что он всему ищет какие-то причины. Этому же учит вся наша философия. И физика долгое время исходила из такого же взгляда на мир: если что-то происходит, и происходит определенным образом - то этому должна быть причина.
А ее нет. Атом радиоактивного вещества может распасться через минуту после последнего нашего наблюдения/измерения. А может не распасться и через месяц. Квантовая частица может двигаться по любой, самой непредсказуемой, траектории. И поэтому поведение квантовых систем мы можем описывать только через вероятность, статистически. А состояние конкретной единичной квантовой системы до измерения мы описываем как суперпозицию нескольких состояний, в которых эта квантовая система может находиться до измерения.
Это делает квантовый мир чем-то похожим на живой мир - так, словно бы у квантовых частиц есть нечто вроде "свободы воли", которая ничем не детерминирована.
Случайность и вероятность в квантовом мире
Для понимания, чем случайность и вероятность в квантовом мире отличается от оных в макромире и классической физике, можно привести такой пример.
Допустим, шарик находится на вершине симметричной горки, с формой вроде конуса. То есть находится в состоянии неустойчивого равновесия.
Если этот шарик "классический", то он, конечно, не сможет сколько-нибудь долго находиться на вершине горки, и в какой-то момент обязательно скатится по ней вниз. Но в какую сторону? Это будет определяться какими-то дополнительными факторами. Причиной, по которой шарик скатился именно в эту сторону, а не в другую, например, может стать небольшой ветерок, который дунул в эту сторону. Или пролетавший мимо комар, который ударился головой о шарик и столкнул его в эту сторону. Или просто какое-то микроскопическое нарушение симметрии в шарике или в горке - ведь идеальных, абсолютно симметричных, шариков и горок мы в природе не найдем.
Но в любом случае, тому, что шарик скатился именно в эту сторону, а не в другую, будет какая-то объективная причина. И теоретически, мы можем ее найти и учесть. Поэтому скатывание шарика в эту сторону, а не в другую, в макромире - это всегда процесс детерминированный.
А вот в квантовом мире это не так. "Квантовый шарик" может скатиться в любую сторону - и предсказать это в принципе невозможно. Нет никаких причин (и никаких "скрытых параметров"), по которой шарик скатился бы именно в эту сторону, а не в другую. Просто квантовый шарик обязан, должен скатиться - в квантовом мире состояние покоя запрещено (так что даже вакуум на нулевом энергетическом уровне совершает небольшие флуктуации). И шарик действительно скатывается - но совершенно случайным образом, в случайном направлении.
И поэтому описать поведение квантового шарика мы можем, только если примем "случайность" как фактор самого квантового мира. И тогда поведение шарика мы должны описывать только через вероятность: в данном случае, что шарик с равной вероятностью может скатиться в любую сторону.
А вот дальше еще интересней. Допустим теперь, что наша горка не совсем симметрична, и какой-то ее склон, в каком-то направлении, более крутой, чем в других направлениях.
Куда скатится классический шарик? Конечно, в ту сторону, где наклон более крутой. Со стопроцентной вероятностью (если нет каких-то других существенных сил, действующих на шарик).
А вот квантовый шарик по-прежнему может скатиться в любом направлении. Почему? Потому что в квантовом мире действует случайность. Правда, вероятность, что он скатится по более крутому направлению, конечно, будет больше, чем вероятность его скатывания по другим направлениям.
То есть некий "детерминизм" в квантовом мире все же присутствует. Но он, в отличие от макромира, не является абсолютным. И он в квантовом мире присутствует уже только как вероятность - как более высокая вероятность, чем вероятность других состояний или событий.
Откуда же берется этот "детерминизм" в квантовом мире? Что все же позволяет нам при описании квантовых систем от абсолютной случайности перейти к вероятностям и к вероятностным "законам" квантовой механики? Об этом - уже в следующей статье.