Улыбка Шрёдингерова кота

Рядом с домом в Цюрихе, где в 1921–1926 годах жил Эрвин Шрёдингер, установлена полноразмерная фигура кота, который в зависимости от освещения то появляется, то исчезает. Фото с сайта www.wikipedia.org

Мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком Эрвином Шрёдингером в 1935 году, сделался знаменитым – и не только среди ученых – во многом благодаря фантасмагорической фигуре полуживого-полумертвого кота. По условиям эксперимента в закрытом ящике находятся: кот, механизм с радиоактивным атомным ядром и емкость с ядовитым газом. Как известно, распад ядра в квантовой механике описывается суперпозицией (совмещением) разных состояний элементарной частицы. В зависимости от того, распадается ли ядро, приводится в действие смертоносное устройство. А поскольку ядро находится в суперпозиции, значит, кот одновременно и жив, и мертв. В нашей классической реальности такое совмещение невозможно, поэтому перед глазами наблюдателя, открывшего ящик, кот предстает живым или мертвым, а в закрытом ящике он «ни жив ни мертв».

«Квантование» Алисы

Эксперимент Шрёдингера, предназначенный подчеркнуть парадоксальность и даже абсурдность представлений квантовой механики, спроецированных на макромир, провоцирует следующий вопрос, уже не физический, а скорее мифо-поэтический: почему именно кот? Ученые, как правило, не задаются этим вопросом. На месте кота могло бы быть любое животное: мышь, собака, заяц, ящерица...

Я полагаю, что за этим физическим экспериментом стоит своя поэтическая логика. Возможно, кот появился из сказки «Алиса в стране чудес», которую Льюис Кэрролл написал в 1865 году, ровно за 70 лет до статьи Шрёдингера. Знаменитый чеширский кот обладает теми же волшебными свойствами, что и шрёдингеровский. Он есть, и его нет. Когда кот тает в воздухе, остается только улыбка, которая существует независимо от него.

Трудно сказать, насколько сознательно физик воспользовался изобретением сказочника, который по своей основной профессии, кстати, был математиком (Чарльзом Лютвиджом Доджсоном).

А может быть, наоборот, сказочник проник в тайны квантового мира задолго до его открытия в физике?

Неслышно девочка идет

По сказочной стране

И видит множество чудес

В подземной глубине.

Что если эта сказочная страна, куда попала Алиса, и есть прообраз квантового мира, впоследствии открытого физикой? Недаром девочке пришлось внезапно уменьшиться, чтобы вслед за кроликом юркнуть в его норку, и потом все уменьшаться и уменьшаться, выпивая волшебный напиток из красивого пузырька: 

Именно такое «квантование» героини и привело ее к встрече с котом, в поведении которого узнаются эффекты квантовых состояний – суперпозиций: «И вообще, прекратите так резко исчезать и появляться – голова уже кружится!» «Хорошо», – согласился Кот и стал исчезать, начиная с кончика хвоста, так медленно, что улыбка долго еще одиноко парила в воздухе. «Ну и ну! – подумала Алиса. – Кот без улыбки – это понятно, но улыбка без кота! Такое чудо я впервые в жизни вижу!»

Причем здесь кот?

У физиков в самом деле «кружится голова», когда они начинают следить за движением частиц, которые могут одновременно появляться в разных местах. Шрёдингерова притча о коте говорит нам примерно то же, что сам чеширский кот, об условиях бытия в квантовом мире с точки зрения классической науки: «Мы все здесь ненормальные. Я ненормальный. Ты ненормальная», – усмехнулся Кот».

Популяризаторы квантовой теории часто цитируют еще один эпизод из «Алисы»: «Лавка была битком набита всякими диковинками, но вот что странно: стоило Алисе подойти к какой-нибудь полке и посмотреть на нее повнимательней, как она тотчас же пустела, хотя соседние полки прямо ломились от всякого товара. 

– Какие здесь вещи текучие! – жалобно проговорила Алиса. Вот уже несколько минут, как она гонялась за какой-то яркой вещицей. То ли это была кукла, то ли – рабочая шкатулка, но в руки она никак не давалась. Стоило Алисе потянуться к ней, как она перелетала на полку повыше».

Эту неуловимость вещей сравнивают с невозможностью определить точное положение электрона в квантовом мире. (Подробно об «Алисе» в связи с проблемами современной науки и психологии рассказывается в книге Арнольда Минделла «Квантовый ум. Грань между физикой и психологией», 2002).

Трудно сомневаться, что «Алиса» была известна Шрёдингеру, и возможно, именно для того, чтобы высказать свое скептическое отношение к квантовой физике и ее парадоксам, он и решил прибегнуть к образу кота. При таком истолковании шрёдингеровская притча о живо-мертвом коте оказывается исполненной сарказма, поскольку отсылает к коту-предтече, чья улыбка была обращена к нашему бинарному здравому смыслу. Чеширский кот в «Алисе» не просто исчезает, пока улыбается, он сопровождает улыбкой само свое исчезновение, как бы посылая весть из чудесного мира, где все возможно, и издеваясь над самим классическим принципом реальности.

Такой же скрытый смех слышится и в притче-эксперименте Шрёдингера: вы, проповедники квантовых чудес, извольте принять кота и живым, и мертвым! Не случайно Шрёдингер начинает описание своего эксперимента на игривой ноте: «Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной...».

Называя случай с котом «бурлескным», физик подчеркивает эстетический подтекст этого образа, в котором серьезный научный эксперимент снижается до шутки и даже шутовства. Так Шрёдингер хотел посмеяться над теоретической слабостью квантовой механикой, которая в применении к макромиру приводит к нелепейшим выводам.

Раздвоение миров

Однако по мере того как укреплялся авторитет квантовой механики и ее индетерминистской интерпретации, ухмылка шрёдингеровского кота приобретала иной смысл, более близкий кэрролловскому. Это уже издевка над классическим разумом взрослых, не понимающих, что мир сложнее наших представлений о нем и что в нем есть место и сказочному абсурду, и квантовым парадоксам. Это притча о магических основаниях науки, об удивлении как о способе познания, о конвергенции фэнтези и физики.

Об этом писал крупнейший методолог науки Пол Фейерабенд: «Познание... не есть ряд непротиворечивых теорий, приближающихся к некоторой идеальной концепции... а скорее представляет собой увеличивающийся океан взаимно несовместимых (быть может, даже несоизмеримых) альтернатив, в котором каждая отдельная теория, сказка или миф являются частями одной совокупности».

Знаменательно, что дальнейшее развитие квантовой механики приводит к уже наглядному появлению в ней самого чеширского кота. Именно так – «Квантовый Чеширский кот» (Quantum Cheshire Cat) – называется парадоксальное свойство некоторых частиц (нейтронов) отделяться от самих частиц, проявляться независимо от своих материальных носителей. Гипотеза была предложена английскими и израильскими учеными в 2010 году и подтверждена экспериментами в Венском технологическом институте в 2013 году.

Представим, что детский волчок начал вращаться, и вдруг вращение отделилось бы от самого волчка и стало бы происходить независимо от него. Точно так же квантовая система начинает «чеширничать» – вести себя так, как если бы частицы были пространственно отделены от своих магнитных свойств. Признаки микрообъектов обретают независимость и локальную удаленность от них самих.

Вообще кот – один из самых причудливых персонажей всемирной мифологии. Легенды связывают их с ведьмами и ворожбой, с тайнами ночи и лунного света. Считалось, что они обладают особым шестым чувством, могут проникать в потусторонний мир, общаться с духами и что у них девять жизней. Эта архетипика кошачьего магизма широко отразилась в художественной словесности, в том числе в «Мастере и Маргарите» Михаила Булгакова (кот Бегемот «неизвестно откуда взялся» примерно в то же время, в середине 1930-х, что и его экспериментальный собрат из ящика). 

Многомировая интерпретация квантовой механики, выдвинутая американским физиком Хью Эвереттом в 1950-е и разделяемая многими, если не большинством современных ученых, предлагает такое разрешение шрёдингерова парадокса: кот остается живым в одних мирах и мертвым – в других. О благополучной судьбе шрёдингерова кота в эвереттовских мирах пишет Джон Гриббин, досконально изучивший проблему: «Нам больше нечего беспокоиться о загадке кота... Мы знаем, что в нашем мире ящик содержит кота живого или мертвого, а в соседнем мире есть другой наблюдатель с таким же ящиком, где кот мертв или жив» (John Gribbin. In Search of Schrodinger's Cat: Quantum Physics and Reality.L.: Black Swan, 2012, p. 311.)

Сам момент наблюдения кота оказывается развилкой, где миры начинают раздваиваться, следуя парадоксальному распаду-нераспаду атомного ядра. У наблюдателей живого и мертвого кота тоже оказываются разные миры и разные судьбы.

Но об этом мы могли бы уже догадываться из чтения сказок, подобных кэрролловской. Научная притча Шрёдингера оказывается в ряду тех древних фантазий, которым в наше время суждено влиться в авангард самых дерзких научных теорий. Быть может, недаром Александр Пушкин поручил именно ученому коту роль сказочника во вступлении к «Руслану и Людмиле»: «Идет направо – песнь заводит, налево – сказку говорит. Там чудеса...». Такой волшебный кот действительно может служить прообразом фантастических открытий современной науки.