Еще одна "проблема" квантовой механики, над которой физики уже много лет ломают свои ученые лбы - это т.н. проблема "коллапса" волновой функции.
Суть ее, если коротко, в следующем. Состояние квантовой системы до измерения описывается волновой функцией, и, согласно этой волновой функции, квантовая система (например, квантовая частица) до измерения может находиться в некоем "смешанном состоянии", представляющим собой суперпозицию нескольких собственных состояний. Так, квантовая частица с разной вероятностью может находиться в разных местах (в разных точках пространства-времени). Или она может иметь разный спин.
Однако при измерении мы всегда получаем только одно определенное собственное состояние частицы. То есть обнаруживаем ее всегда в четко локализованной области пространства или с совершенно определенным спином.
"А куда же при этом деваются все остальные состояния, которые, согласно волновой функции, до измерения были у частицы? - чешут свои репы ученые физики. - Ай-яй-яй! Почему же квантовая система, которая описывается волновой функцией, из состояния со множеством замечательных суперпозиций, в которых квантовая система существует одновременно, при измерении принимает только одно конкретное значение? Куда же подевались все остальные состояния суперпозиции? Куда они исчезли?
Может быть, мир расщепляется на множество отдельных миров, и при измерении мы оказываемся только в одном из них? Или при измерении мы воздействуем на квантовые частицы нашим сознанием, силой нашей могучей мысли?"
Но понятно, что эта "проблема" - абсолютно надуманная. И возникла она из того идиотского взгляда, который когда-то почему-то проник в квантовую механику, что до измерения квантовая система находится одновременно сразу в нескольких состояниях. То есть эта проблема вытекает из неправильного понимания природы квантовых явлений и того, что именно и как описывает математический формализм квантовой механики.
В самом деле, ведь если исходить из этого идиотского взгляда, что квантовая частица до измерения находится одновременно в нескольких состояниях (то есть что, например, электрон до измерения одновременно находится в нескольких - в бесконечном множестве - разных точках пространства), то объяснить, куда при измерении деваются все эти состояния, помимо одного, довольно сложно.
Но при правильном понимании сути квантовых процессов и ее математического формализма станет ясно, что проблема эта скорее чисто математическая - связанная с несовершенством и ограничениями самого математического формализма, который используется в квантовой механике.
Смешанное состояние
Прежде всего, повторюсь, нужно избавиться от этого совершенно идиотского представления, что до измерения частица находится одновременно сразу в нескольких состояниях. Волновая функция описывает не состояние квантовой частицы до измерения, а лишь ее возможные состояния, в которых частица может находиться с разной вероятностью.
Вот как это "смешанное состояние" объяснял Поль Дирак, один из создателей квантовой механики:
"Неклассическая природа процесса суперпозиции становится очевидной, если мы рассмотрим суперпозицию двух состояний, A и B, таких, что существует наблюдение, которое при проведении его над системой, находящейся в состоянии A, обязательно приведет к одному конкретному результату, a, скажем, а при проведении его над системой, находящейся в состоянии B, обязательно приведет к какому-то другому результату, b, скажем. Каков будет результат наблюдения при проведении его над системой, находящейся в суперпозиционном состоянии? Ответ заключается в том, что результат будет иногда a, а иногда b, в соответствии с законом вероятности, зависящим от относительного веса A и B в процессе суперпозиции. Он никогда не будет отличаться ни от a, ни от b [т. е. ни от a, ни от b].
Таким образом, промежуточный характер состояния, образованного суперпозицией, выражается через вероятность конкретного результата наблюдения, являющегося промежуточным между соответствующими вероятностями для исходных состояний, а не через сам результат, являющийся промежуточным между соответствующими результатами для исходных состояний".
Как мы видим, Дираку и в голову не приходило утверждать, что квантовая система до измерения может находиться одновременно в двух (или более) состояниях, или, тем более, что она может находиться в каком-то "смешанном состоянии" из суперпозиции нескольких состояний. Вероятностный характер этого "смешанного состояния" совершенно недвусмысленным образом нам указывает, что волновая функция со "смешанным состоянием" лишь показывает нам, с какой вероятностью мы можем найти частицу при измерении в том или другом состоянии. То есть, в сущности, показывает возможные результаты нашего измерения.
Замечу, что похожим образом все это понимал и Нильс Бор. И только Шредингер в какой-то момент немного свихнулся и начал утверждать, что волновая функция якобы описывает состояния, в которых частица одновременно находится до измерения. Так, Шредингер полагал, что электрон на орбитали атома одновременно находится во всех положениях, описываемых волновой функцией, образуя некое "электронное облако" (то есть электрон, со всей своей массой и зарядом, как бы "размазан" по орбитали, и при этом "плотность" этого электронного облака почему-то задается вероятностной величиной волновой функции). А несколько позже немного двинулся умом и Гейзенберг, который стал утверждать, что до измерения квантовые системы находятся в некоем особом "потенциальном состоянии", "потенциальном бытии", и в этом "потенциальном бытии" квантовая система может одновременно находиться в различных состояниях (то есть, например, атом может быть одновременно "распавшимся" и "не распавшимся"). И именно это "потенциальное бытие" якобы и описывает волновая функция.
Впрочем, даже это помрачение ума Шредингера и Гейзенберга может показаться мелочью по сравнению с некоторыми другими "интерпретациями" квантовой механики. Например, с многомировой интерпретацией Эверетта - откровенно говоря, там уже откровенным дурдомом попахивает.
Описание вероятностей
Однако стоит нам только избавиться от всех этих бредней, как суть "коллапса" волновой функции тут же станет предельной ясной. Для понимания этого опять же лучше будет обратиться к примеру из макромира - с подбрасыванием монетки.
У монетки может быть только два собственных состояния - "орел" или "решка". Причем, если монета достаточно симметричная, то вероятность выпадения "орла" равна вероятности выпадения "решки", и составляет 1/2. Математически это можно записать следующим образом:
P(орел)+P(решка)=1/2+1/2=1
А теперь допустим, что вероятность выпадения "орла" или "решки" может по каким-то причинам меняться, и при этом эти вероятности зависят друг от друга. Тогда вероятность выпадения "орла" или "решки" можно записать так:
P1(t)+P2(t)=P
Вероятности состояний складываются. Точно так же, как в квантовой механике. Разница лишь в том, что в квантовой механики присутствуют комплексные числа.
А теперь, внимание, вопрос: в каком состоянии находится монетка между моментом, когда мы ее подбросили, и моментом, когда она упала на горизонтальную плоскость и остановилась?
Очевидно, что этот вопрос имеет мало смысла. Ведь состояние "орел" или "решка" определены только относительно горизонтальной неподвижной плоскости - когда монетка уже лежит на этой плоскости, вверх "орлом" или "решкой". А состояние монетки, пока она летит и вращается в воздухе, мы можем описать только как некое "смешанное состояние", в которой величины вероятности выпадения "орла" или "решки" постоянно колеблются, но всегда дают в сумме единицу.
В квантовой механике происходит все примерно то же самое. До измерения, пока частица движется в колеблющемся пространстве-времени, определение ее точного положения и траектории имеет мало физического смысла - ведь определить положение частицы (или направление ее спина) мы можем только относительно "классической" неподвижной системы отсчета.
И поэтому до измерения мы описываем эволюцию квантовой системы как колебание вероятностей из нескольких ее возможных состояний. Но как только мы провели измерение - естественно, из нескольких или множества ее состояний мы определяем только одно. Так что это состояние из вероятностного (с некоторой величиной менее единицы) тут же становится определенным, равным единице, а все остальные возможные состояния, с их вероятностями, тут же обращаются в ноль.
И что здесь странного? И что здесь необычного? Если при измерении из нескольких вероятностных состояний мы фиксируем только одно - то, естественно, волновая функция, которая описывала все эти вероятности измерений, тут же принимает одно конкретное значение. И проблема тут только в том, что в рамках математического формализма квантовой механики корректным образом, чисто математически, отобразить это довольно сложно. Но это проблема чисто математическая - с точки зрения физики процесса здесь нет никаких проблем. Если, конечно, правильно понимать суть этого квантового процесса и правильно понимать суть математического формализма, который в квантовой механике описывает физику квантовых явлений.