Маркус дю Сотой - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

Помню, как меня очаровал этот фантастический мир и еще больше взволновало то обстоятельство, что он не был таким уж фантастическим. К тому времени я начал было сомневаться в существовании Деда Мороза, учитывая, что за одну ночь он должен посетить миллиард детей по всему миру, но эта книга восстановила мою веру. Конечно же Дед Мороз использует квантовую физику! Если его никто не наблюдает, он может одновременно находиться во множестве разных каминных труб.

Чтобы подчеркнуть ту странную роль, которую играет наблюдение, можно вернуться к опыту с двойной щелью и поставить на одной из щелей детектор, чтобы попытаться подглядеть, в какую именно щель «на самом деле» проходит электрон. В этом случае интерференционная картина исчезает. Акт определения щели, через которую пролетает электрон, изменяет природу описывающей его волновой функции. Теперь на пластине детектора видны два светлых участка, расположенных напротив щелей, – никакой интерференции. Моя попытка познания изменяет поведение электрона.

В качестве возможной, хотя и не вполне честной аналогии можно представить себе антрополога, наблюдающего ранее неизвестное племя индейцев Амазонки. Его наблюдение неизбежно изменяет поведение индейцев. Наблюдать без взаимодействия с племенем и без какого-либо влияния на его поведение невозможно. В случае электрона это еще более очевидно. Чтобы узнать, через какую щель он пролетает, на него нужно «посмотреть», но для этого с ним необходимо провзаимодействовать. Например, в таком взаимодействии может быть использован световой фотон, отражающийся от электрона и возвращающийся в детектор. Но такой фотон обязательно производит некоторое изменение энергии, импульса или положения электрона. Он не может взаимодействовать без какого-либо изменения. Собственно говоря, такое взаимодействие может быть не таким явным, как отражение фотона от электрона. Оно может быть и более тонким. Если детектор, установленный на одной из щелей, не обнаруживает электрона, из этого можно заключить, что он прошел через вторую щель. Но никакого отражения фотона от электрона в этом случае не происходит. Такое измерение положения электрона происходит без взаимодействия.

Есть один очень странный мысленный эксперимент, использующий такой акт наблюдения за тем, как электроны проходят через щель в экране. Предположим, мы сделаем бомбу, которая может быть приведена в действие при попадании в ее датчик единственного электрона. Проблема в том, что нельзя гарантировать, что бомба сработает. С классической точки зрения единственный способ ее испытания сводится к довольно бессмысленному действию – запуску в бомбу электрона. Если бомба взорвется, значит, она была настоящая. Если нет – муляж. Но в любом случае после такого испытания мы остаемся без бомбы.

Как ни странно, для обнаружения действующих бомб, не требующего их взрыва, можно использовать опыт с двойной щелью. Вспомним, что на пластине есть участки, в которые электрон, если он действительно одновременно проходит через обе щели, попасть не может. Если в такой точке все-таки обнаруживается электрон (традиционным, невзрывным способом), значит, мы подглядывали и заставили этот электрон выбрать одну из щелей. Этот участок мы и будем использовать в качестве «бомбового детектора». Поставим датчик бомбы на одну из щелей: если эта бомба – муляж, то датчик ее не взорвет. То есть в случае муляжа мы не производим наблюдения. Значит, электрон проходит через обе щели и не может попасть в «бомбовый детектор».

А что, если это не муляж? В таком случае, если электрон пролетит через эту щель, датчик его зарегистрирует и взорвет бомбу. Так себе результат. Но, поскольку теперь мы определяем, через какую щель пролетает электрон, он пролетает только через одну щель и имеет шанс попасть в наш «бомбовый детектор». Поэтому обнаружение электрона в «бомбовом детекторе» должно означать, что бомба заряжена. Заряженная бомба является механизмом детектирования электронов. В половине случаев детектирования электронов они пролетают через щель, на которой установлен датчик, и бомба взрывается. Но в остальной половине случаев бомба определяет, что электроны пролетели через другую щель, интерференционная картина не может возникнуть, электроны могут попасть в «бомбовый детектор», и тем не менее бомба не взрывается. Электрон дал нам информацию о том, через какую щель он пролетел, но такой акт «наблюдения» не требовал ни слежения за электроном, ни его столкновения с фотоном, ни взрыва бомбы.