Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Согласно законам квантовой механики корпускулярно-волновой дуализм и квантовая суперпозиция распространяются не только на микроскопический мир электронов и атомов, но также и на макроскопические объекты.

Граница между квантовым и классическим повседневным мирами размывалась годами. В 1999 году Антон Цайлингер и его коллеги из Венского университета (Австрия) показали, что фуллерены – молекулы из 60 атомов – ведут себя как волны, когда проходят через дифракционные решетки. А в 2003 году той же группой был проведен трюк с тетрафенилпорфирином – большой молекулой, связанной с хлорофиллом, установившей новый рекорд самого тяжелого объекта, продемонстрировавшего корпускулярно-волновой дуализм.

Квантовые эффекты ворвались также в область объектов, различимых невооруженным глазом. В 2010 году исследователи заставили одновременно и колебаться, и не колебаться сверхохлажденную металлическую полоску длиной 0,06 мм, приведя ее в квантовую суперпозицию состояний. В настоящее время рекорд принадлежит облаку из 10 000 ионов рубидия. Есть ли предел того, насколько большим может быть объект и при этом обладать квантовыми эффектами? Ничего в квантовой механике не говорит о существовании этого предела, но чем больше атомов имеет объект, тем более вероятно, что они взаимодействуют друг с другом и своим окружением, разрушая хрупкие квантовые эффекты.

Одной из основных целей, виднеющихся на горизонте, является суперпозиция объектов на масштабах в миллион атомов, говорит Влатко Ведрал, квантовый физик из Оксфордского университета: «Вот тут происходит нечто магическое. Это масштаб, на котором начинается жизнь». На его взгляд, ключевым экспериментом стала бы стрельба живыми организмами, например вирусами по двум щелям при контролируемых условиях, поскольку согласно одной из интерпретаций квантовой механики живые системы приводят к коллапсу квантовых суперпозиций. «Держу пари, что вирус также является полностью квантово-механическим, – говорит он. – Выделите мне достаточное финансирование, и, вероятно, я смогу заставить проинтерферировать все, что пожелаете».

После лобового столкновения с квантовой таинственностью возникает соблазн привести печально известную цитату лауреата Нобелевской премии, физика Ричарда Фейнмана (1918–1988): «Квантовую механику никто не понимает». Увы, это действительно довольно близко к истине, ведь, как классические существа, мы не готовы видеть основополагающую квантовую реальность. К ее пониманию можно прийти дорогой ценой – например, приняв существование параллельных вселенных.

В 1911 году в Брюсселе (Бельгия) прошла первая международная конференция по физике. Темами для обсуждения стали взаимодействие со странной новой квантовой теорией и возможность ее примирения с нашим повседневным опытом.

Над решением этих вопросов физики бьются и сегодня. Нет ни одного эксперимента, чьи результаты когда-либо расходились с предсказаниями квантовой теории, и мы можем быть уверены, что она представляет собой хороший способ описания устройства Вселенной в самых малых масштабах. Таким образом, у нас остается лишь одна проблема: что это значит?

Утверждение о том, что мы понимаем квантовую механику, может дорого стоить, например принятия существования параллельных вселенных. В этой картине вероятностная волновая функция, описывающая квантовые объекты, не «коллапсирует» в классическую определенность каждый раз, когда вы проводите измерения над ними; реальность просто расщепляется на столько параллельных миров, сколько имеется возможностей измерения. Один из них уносит с собой вас и реальность, в который вы живете. По словам Ричарда Фейнмана: «“Парадокс” – это всего лишь конфликт между реальностью и предчувствием того, чем должна быть реальность».

Физики пытаются ответить на эти вопросы с помощью «интерпретаций» – философских рассуждений о том, что лежит за квантовой теорией, полностью соответствующих опытам. Никакая другая теория в науке не имеет так много взглядов на нее (см. рис. 3.1). Почему так получилось? И достигнет ли главенства какой-то из них?

Возьмем, например, копенгагенскую интерпретацию, введенную датским физиком Нильсом Бором. Она гласит, что любая попытка рассуждать о положении электрона, например внутри атома, бессмысленна без проведения его измерения. Только когда мы взаимодействуем с электроном при помощи не-квантового, или классического, устройства, пытаясь наблюдать его, он действительно принимает какие-то черты того, что мы назвали бы физическим свойством, и поэтому становится частью реальности. С ее принципами неопределенности и парадоксами измерений копенгагенская интерпретация сводится к признанию того, что любая наша попытка найти общий язык с квантовой реальностью уменьшает ее до неглубокой классической проекции полного квантового богатства.