Кошки относятся к самым популярным домашним животным, так что в любом книжном магазине США читатель всегда найдет целую кучу разных книг, посвященных этим прекрасным животным и их различным особенностям и привычкам. Возможно, именно поэтому один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой механике, обсуждению которого уже посвящены сотни статей и несколько серьезных книг, связан именно с кошкой (что, разумеется, никак не должно обижать любителей собак). Когда-то Шрёдингер придумал некоторый эксперимент в качестве шутки, но его идея оказалась чрезвычайно интересной и привлекательной для обсуждения, в результате чего она не только сохранилась в истории физики, но и до сих пор привлекает внимание серьезных специалистов-физиков и любителей-философов, пытающихся понять квантово-механические парадоксы.
Все дело началось с того, что Шрёдингеру очень не нравились многие положения квантовой механики (включая его собственные открытия и их интерпретацию!) и ему показалось странным, что большинство коллег действительно начинают верить в существование некоей квантовой реальности, описываемой только наборами вероятностей положений и событий. Поэтому он придумал следующий мысленный эксперимент: живой кот помещается в изолированный закрытый ящик, где находятся также ампула со смертельным ядом (например, с цианистым калием), источник радиоактивного излучения и счетчик Гейгера, регистрирующий это излучение. Как только в счетчик попадает частица, срабатывает связанный со счетчиком механический молоточек, который разбивает ампулу с ядом и превращает ящик в «газовую камеру» для несчастного кота. Представляется очевидным, что в привычном нам макромире (в мире ньютоновских законов и падающих на голову по этим законам яблок) кот обречен на быструю и смерть. Демонстрируя коллегам абсурдность и переусложненность вероятностной трактовки квантовой механики, Шрёдин-гер предложил им рассмотреть судьбу кота, исходя из простого предположения, что вероятность радиоактивного распада составляет 50% в час (иными словами, вероятность обнаружить живого кота через час составляет 50%, через два часа – 25% и т. д.). Шрёдингер настойчиво обращал внимание коллег на то, что по квантовым вероятностям (т. е. в соответствии с правилами сложения волновых функций) вплоть до момента открытия ящика бедную киску следует учитывать в уравнениях как некую комбинацию живого и мертвого кота (50% живого + 50% мертвого и т.д.), хотя реальный кот, конечно, может находиться только в одном из этих весьма разных состояний.
Существование такой комбинации представляется нелепым всем (включая, разумеется, и самого кота), и Шрёдингеру казалось, что идея эксперимента наглядно демонстрирует ограниченность квантовой механики и нелепость ее последовательной, чисто вероятностной трактовки, Не тут-то было! Никому не нужный в макромире абстрактный котик вдруг оказался предметом острейших дискуссий. Многие физики стали воспринимать его судьбу в качестве еще одной иллюстрации непостижимости и таинственности квантового мира. Первоначальный замысел мысленного эксперимента и его идея оказались буквально сметены критикой, и стало считаться, что кот действительно может считаться формально живым или мертвьШ лишь после вскрытия ящика. До этого (подобно всем обитателям квантового мира) он должен находиться, пользуясь религиозной терминологией, в некотором квантовом «чистилище» и не может быть причислен ни к живым, ни к мертвым. Шутка Шрёдингера не удалась и сама сыграла злую шутку со своим автором.
Мало кто из нас согласился бы жить в «беззаконной» Вселенной, где нет определенных правил поведения и события чередуются совершенно случайно, подобно игре в рулетку. Рассказывают, что один из физиков даже покончил с собой, не в силах вынести философское и нравственное бремя, которое, как ему казалось, приносило с собой развитие квантовой физики, отвергающей детерминированность законов природы и, как следствие, разумность и обоснованность человеческих поступков.
Подводя некоторые итоги, можно отметить, что в течение очень короткого времени (первой трети XX века) в мировой науке произошли грандиозные изменения, связанные с новыми, потрясающими результатами. Сперва Хаббл показал, что кажущееся символом безмятежности ночное небо представляет собой в действительности бурлящую бездну из гигантских галактик, разбегающихся в разные стороны, затем Эйнштейн обнаружил совершенно невероятные свойства пространства-времени, а затем Бор и его команда доказали, что в основе мироздания лежит скорее случайность, чем определенность.
***
Сегодня мы смотрим в будущее с некоторым облегчением и оптимизмом, возможно, из-за того, что новые понятия стали ближе и привычнее, а квантовые устройства и идеи уже широко используются в различных областях науки и техники. Ученые всерьез задумываются о возможности создания вычислительных устройств, в которых перенос и обработка информации будут связаны не с электронами (как в обычных транзисторах и микрочипах), а с квантами, неделимыми порциями энергии, в результате чего компьютер можно будет создать даже на основе одного-единст-венного атома. В последние годы появились даже совершенно фантастические научные публикации и направления, типа «квантового психоанализа» (автор должен сразу сознаться, что даже не представляет, чему посвящены эти работы!). В пятой главе, где рассказывается о теориях рождения Вселенной, для описания исходной космической среды используется образ «квантовой пены», состоящей из крошечных пузырьков пространства-времени, размеры которых в миллионы триллионов раз (!) меньше атомных ядер. Каждый из таких пузырьков порождает или способен породить огромную сверкающую Вселенную, о существовании который мы, возможно, никогда не сможем узнать.
Изучение квантовых законов меняет даже представления о человеческой жизни. После открытий в биологии и кибернетике мы уже почти свыклись с мыслью, что наш мозг, в сущности, представляет собой биоорганический компьютер, работающий с использованием некоторых электрохимических реакций и осуществляющий достаточно быструю обработку информации. Именно этот биокомпьютер позволяет обеспечить точность нашего восприятия, позволяет избегать опасностей, плакать от восхищения, решительно действовать или, наоборот, совершать самоубийство в определенных обстоятельствах и т. п. При этом обычно его работа и процессы переключения происходят автоматически и быстрее, чем сам человек может осознавать и оценивать свое поведение или отдельные поступки. Квантовая механика показывает, что процессы переключения в наших «внутренних» биокомпьютерах осуществляются на том физическом уровне, где происходят причудливые, неточные и непредсказуемые квантовые взаимодействия. Остается непонятным, каким образом на основе огромного числа квантовых неопределенностей в элементах структуры нашего мозга могут вообще происходить устойчивые мыслительные процессы, управляющие длительными и осознанными поступками человека и его целенаправленным поведением. Такие вопросы заставляют нас еще раз гораздо серьезнее задуматься над смыслом своего существования, определением понятия собственного «Я», проблемой свободы волеизъявления и самой нашей способностью планировать и осуществлять целенаправленные и последовательные действия. Непонятно, как мы должны относиться к собственным мыслям и эмоциям после осознания факта, что они, подобно островам или утесам, возвышаются над морем «квантовых» неопределенностей и вероятностей?
В будущем нам еще не раз придется задуматься о дуализме личности и тайнах человеческого сознания. Забегая вперед, упомянем странные квантово-механические соображения, которые использует известный профессор Роджер Пенроуз для объяснения индивидуального восприятия окружающего нас мира. Похоже, что физически воспринимаемые нами объекты существуют в привычных ньютоновских законах и ограничениях (поэтому, например, они не могут существовать одновременно в двух точках), но наши собственные мысли и переживания имеют квантовую природу и не подчиняются этим ограничениям.
Некоторые ученые на основе подобных рассуждений и теорий предлагают рассматривать человеческий мозг в качестве квантового измерительного устройства, созданного природой в процессе эволюции за миллионы лет именно для обеспечения связи классического макромира с квантовым микромиром. В этом случае наше сознание играет роль того самого гейзенберговского наблюдателя, который одним своим присутствием (т. е. каким-то «сенсорным» запросом) вызывает необходимый коллапс волновых функций, происходящий в некоторых физико-химических структурах нашей нервной системы. Известный специалист Г. Стапп пишет по этому поводу: «Сознание каждого отдельного человека может быть представлено в виде выборки из полного набора квантово-механических событий в гейзенберговском представлении». Теоретики, естественно, продолжают ожесточенно спорить о механизме этого эффекта, поскольку некоторые из них считают коллапс волновых функций чисто случайным процессом, а другие предлагают различные варианты «правил отбора», заложенных в мозгу и позволяющих личности самой контролировать процесс. В настоящее время особое внимание ученых привлекают некоторые белковые образования в мозгу (так называемые микротрубки), структура которых, возможно, позволяет осуществлять трансформацию квантовых состояний в классические. Может оказаться, что именно такие процессы помогают нам ориентироваться в потоке событий и создавать то, что принято называть «человеческой жизнью», т. е. мыслить, принимать решения, анализировать события, мечтать и даже непрерывно развивать собственную индивидуальность.