Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

Конечно, физическая реальность не может приспособиться к настоящему парадоксу, так что только один из близнецов может быть «моложе», чем другой. Очевидный парадокс разрешается, если заметить: близнец в ракете обязательно изменяет свою скорость и направление движения, то есть ускоряется. Это отличает его ситуацию от его близнеца, позволяя определить разницу за прошедшее время. В меньшем масштабе вариант эксперимента был проделан с атомными часами на реактивных самолетах, и результаты совпадают с предсказаниями из теории относительности: часы на самолете идут медленнее, чем такие же, оставленные на Земле, на ожидаемое количество времени.

Загадка «кота Шрёдингера» попадает в последнюю категорию парадоксов, которые иллюстрируют проблемы с рассуждениями согласно существующей теории.

В 1935 году и Эрвин Шрёдингер, и Альберт Эйнштейн начали разочаровываться в квантовой теории, в создании которой они играли решающие роли, и каждый из них написал статьи, описывающие мысленные эксперименты для иллюстрации своих взглядов на то, что квантовая теория была фундаментально неполной и должна быть заменена более глубоким подходом к физике (статья Эйнштейна, написанная совместно с его молодыми коллегами Борисом Подольским[190] и Натаном Розеном[191], обозначила проблему, которую мы теперь называем «квантовая спутанность», ее мы рассмотрим в главе 11).

Эйнштейн гипотетически продемонстрировал, что неопределенные квантовые состояния несовместимы с принципом «локальности» – идеи о том, что состояния объекта должны зависеть только от предметов в его непосредственном окружении. Вклад Шрёдингера в мир квантовых загадок шел от похожей неудовлетворенности теорией: как и Эйнштейн, он был озабочен вероятностной природой квантовой механики и тем, как единственная реальность, которую мы наблюдаем, возникает из океана возможных результатов. С точки зрения квантовой физики, продвигаемой Бором и другими, известной как «Копенгагенская интерпретация» по месту расположения института Бора – эта проблема была вроде как сметена под край коврика утверждением, что вероятностные правила квантовой физики применимы только к микроскопическим системам и не могут повлиять на макроскопический мир. Шрёдингер на это не купился и изобрел дьявольский мысленный эксперимент, чтобы ярче подчеркнуть проблему.

В статье, подводящей итоги, «Современная ситуация в квантовой механике» Шрёдингер указал, что вы можете объединить микроскопическую квантовую физику и макроскопические системы эффектным способом. Он представил сценарий, где кот помещен внутрь коробки вместе с прибором, содержащим нестабильный атом с 50 % вероятностью распада и переходом из одного разрешенного состояния в другое в течение следующего часа (как в статистической модели фотона Эйнштейна и матричной механике Гейзенберга). Если атом распадется, прибор немедленно должен отравить кота. Коробка запечатана таким образом, что экспериментатор снаружи никаким образом не может узнать, что случилось в коробке, пока он ее не откроет через час. Вопрос следующий: каково состояние кота непосредственно перед тем, как коробку откроют?

Здравый смысл подсказывает, что кот либо жив, либо мертв, но согласно Копенгагенской интерпретации, состояние атома должно быть неопределенным: равной смесью распада и не-распада, до тех пор, пока коробка не открыта и не определено конечное состояние. Математически волновая функция атома содержит две части, соответствующим каждому из возможных состояний, так же как волновые пакеты, которые мы собирали вместе в предыдущей главе, содержат множественные возможные компоненты моментов импульса. Состояние атома является квантовой суперпозицией: неопределенное состояние, не то и не другое, но оба сразу.

Однако связь между атомом и машиной для умерщвления кота делает его состояние полностью зависимым от состояния атома, так что кот должен также находиться в состоянии суперпозиции, одновременно будучи и живым, и мертвым. Мысленный эксперимент Шрёдингера показывает, что Копенгагенская интерпретация полагается на абсолютное разделение между микроскопическим миром атомов (управляемым квантовыми правилами) и макроскопическим миром (где царит классическая физика), что просто невыполнимо. Эти два мира могут быть связанными, как показано в парадоксе с котом, что заставляет физику решить базовые вопросы. Как единая реальность, которую мы видим, возникает из квантовых вероятностей? Что означает измерение состояния квантового объекта? Что означает для квантового объекта находиться в множестве состояний сразу?

Проблема кота в коробке сподвигла физиков к обсуждению фундаментальных квантовых проблем, оно продолжается и по сей день. Эта идея вдохновила на множество экспериментов, где пытаются создать «состояния кота Шрёдингера», когда квантовый объект помещен в суперпозицию двух отдельных состояний[192]. Никто не делал этого (или не будет делать) с настоящим котом, но «состояния кота» были воспроизведены в широком наборе систем – отдельных атомах, ионах, больших количествах электронов внутри сверхпроводников – и существует целый раздел науки, где физики-экспериментаторы работают над тем, чтобы «состояния кота» были воссозданы для еще больших по размерам объектов.

Эти эксперименты невероятно трудны, и обычно они требуют сложного оборудования в тщательно контролируемых лабораторных условиях. Физические принципы, лежащие в основе того, что квантовые объекты могут существовать в множественных состояниях суперпозиций, также хорошо обоснованы. В действительности все это необходимо для понимания поведения любого числа обычных предметов, от простых молекул до компьютерных чипов.

Химические связи и состояния кота

Парадигма связанной пары электронов была принципиально важной для понимания химии еще до возникновения квантовой механики. Понятие связей, формируемых разделяемыми электронами, которые создают заполненные оболочки, до сих пор является существенной частью химии, но развитие полной теории квантовой механики дает новое понимание, что это на самом деле означает.

В дни модели Бора-Зоммерфельда были некоторые попытки объяснить молекулярные связи в терминах определенных электронных орбит вокруг как ядра, так и двухатомной молекулы – большие эллипсы и витки в форме восьмерки и так далее. Они никогда не были слишком удачными, и, когда открытие матричной механики и уравнения Шрёдингера уничтожили идею о хорошо определенных электронных орбитах в атомах, стало очевидно, что эта картина точно не подходит. Современная квантовая химия, как современная атомная физика, описывает электроны в терминах распространяющейся волновой функции.

Мы немного рассмотрели эти волновые функции, когда обсуждали стабильность материи в последней главе. Как вы, наверное, помните, одномерный срез через волновую функцию электрона в двухатомной молекуле выглядит похожим на следующую иллюстрацию. Существует пик волновой функции (и, таким образом вероятность обнаружения электрона в этой области) поблизости от расположения каждого ядра, и электрон распространяется на большее пространство, чтобы охватить оба атома.

Более широкое распространение электрона в двухатомной молекуле помогает, в первую очередь, объяснить, почему формируются молекулы. Электрон с большей протяженностью в пространстве будет иметь тенденцию обладать меньшей энергией по сравнению с тем, кто более тесно ограничен, как мы видели в