Амит Госвами - Самосознающая вселенная. Как сознание создает материальный мир

Квантовые фантазии могут быть забавными, но конечная цель новой физики и этой книги серьезна. Она состоит в том, чтобы помочь нам иметь дело с нашей повседневной реальностью.

Предшествующая базовая информация помогает объяснить пару головоломных вопросов. Подразумевает ли квантовая картина электрона, движущегося волнами вокруг ядра, что заряд и масса электрона размазаны по всему атому? И означает ли тот факт, что свободный электрон распространяется так, как должна распространяться волна согласно теории Шрёдингера, что его заряд теперь размазан по всему пространству? Иными словами, как согласовать волновую картину электрона с тем фактом, что он обладает свойствами локализованной частицы? Ответы на эти вопросы весьма непросты.

Может казаться, что, по крайней мере, волновые пакеты дают возможность ограничивать электрон небольшим пространством. Увы, все не так просто. Волновой пакет, удовлетворяющий уравнению Шрёдингера в данный момент времени, с течением времени должен распространяться.

В некоторый начальный момент мы можем локализовать электрон в крохотной точке, но в течение секунд волновой пакет электрона будет распространяться по всему городу. Хотя первоначально вероятность нахождения электрона в крохотной точке подавляюще высока, всего через несколько секунд становится значимой вероятность появления электрона в любом месте в городе. А если мы будем ждать достаточно долго, электрон может появиться в любом месте во всей стране или даже во всей вселенной.

Именно это распространение волнового пакета способствует непрекращающимся шуткам о квантовой предопределенности среди знатоков. Например, возьмем такой квантово-механический способ материализации рождественской индюшки: приготовьте духовку и ждите — существует ненулевая вероятность того, что индюшка из соседнего магазина материализуется в вашей духовке.

К несчастью для любителя индюшатины, для таких массивных объектов, как индюшка, распространение происходит чрезвычайно медленно. Чтобы материализовать таким образом даже маленький кусочек индюшки, возможно, пришлось бы прождать все время существования вселенной.

А как насчет электрона? Как согласовать распространение волнового пакета электрона по всему городу с картиной локализованной частицы? Ответ в том, что мы должны учитывать в своих вычислениях акт наблюдения.

Если мы хотим измерить заряд электрона, мы должны уловить его с помощью чего-то вроде облака пара в конденсационной камере. В результате этого измерения мы должны допускать, что волна электрона схлопывается, так что теперь мы способны видеть путь электрона через облако пара (рис. 10). Согласно Гейзенбергу, «путь электрона начинает существовать только когда мы его наблюдаем». Производя измерение, мы всегда обнаруживаем электрон, локализованный в качестве частицы. Можно говорить, что наше измерение редуцирует волну электрона к состоянию частицы [11].

Рис. 10. Трек электрона в облаке пара

Когда Шрёдингер предлагал свое волновое уравнение, он и другие думали, что им, возможно, удалось освободить физику от квантовых скачков — от прерывистости, — поскольку волновое движение непрерывно. Однако корпускулярную природу квантовых объектов было необходимо согласовать с их волновой природой. Поэтому были предложены волновые пакеты. Наконец, с признанием распространения волнового пакета и осознанием того, что именно измерение должно вызывать мгновенное схлопывание размеров пакета, мы видим, что схлопывание должно быть прерывистым (непрерывное схлопывание требовало бы времени).

Кажется, будто не может быть квантовой механики без квантовых скачков. Однажды Шрёдингер посетил Бора в Копенгагене, где он целыми днями протестовал против квантовых скачков. Говорят, что в конце концов он сдался, раздраженно воскликнув: «Если бы я знал, что нужно признавать этот проклятый квантовый скачок, то никогда бы не связался с квантовой механикой».

Вернемся обратно к атому: если мы измеряем положение электрона, находящегося в атомном стационарном состоянии, то снова схлопываем его облако вероятности, находя его в определенном положении, а не размазанным повсюду. Делая большое число измерений в поисках электрона, мы будем чаще находить его в тех местах, где вероятность его нахождения высока, в соответствии с предсказанием уравнения Шрёдингера. Действительно, если после большого числа измерений мы графически изобразим измеренные положения, это будет выглядеть в точности подобно размытому распределению орбиты, которое дает решение уравнения Шрёдингера (рис. 11).