Михаил Заречный - Квантовая физика, время, сознание, реальность

Многие из вас наверняка встречались с утверждениями типа: "Материя не отлична от пустоты. Пустота не отлична от материи. Материя — это и есть пустота. Пустота — это и есть материя…. Поэтому в пустоте нет материи…". Это цитата Сутры Сердца, её автор — Будда Гаутама. А вот слова Будды об иллюзорности окружающего нас мира: "Пребывающие повсюду феномены — все иллюзорны и пусты". Это относятся и к времени, и к пространству. Наличие пространства и времени, атомов и элементарных частиц, да и самого нашего "я", согласно махаянскому буддизму, иллюзия.

Не менее шокирующими могут показаться и описание многих чисто "технологических" понятий, используемых в буддизме, например: "Не-мысль — это когда мысль есть, и её нет. Это умение не-мыслить, погружаясь в мышление". И на наших занятиях вы также часто слышите странные на первый взгляд высказывания: " В авторском пространстве нет очерёдности, нет времени, все события там уже есть. Берите их оттуда, какие угодно!". А спустя пару минут вы слышите: "Ничего вы оттуда не достанете. Потому, что нет там ничего, что можно достать… ".

Многим такие высказывания кажутся бредом, но нет никаких сомнений, что Будда знал, о чём говорил. О большинстве же авторов современной эзотерической литературы, где вроде бы похожие высказывания встречаются сплошь и рядом, это едва ли можно сказать. Если у таких "эзотериков" спросить, что они имеют в виду, говоря со ссылкой на Иисуса Христа слова о том, что "внутреннее равно внешнему", то от ответа, если ты не симоронист, могут уши завять.

Сегодня мы попробуем разобраться в этих и других высказываниях, да и вообще в мистической картине мира, с позиций последних достижений квантовой физики. Мы также затронем волнующие многих темы жизни, смерти, времени, реальности, сознания. И, конечно, по ходу дела будем привлекать наш симоронский опыт. Только не думайте, что от меня вы услышите истину. Как всегда, я буду вешать лапшу на уши, а вы не забывайте её стряхивать! Может, наша беседа окажется полезной даже для тех, кому потом покажется, что он что-то понял.

Согласно классической физике, исследуемый объект может находиться в каком-то одном из множества возможных состояний. Однако он не может находиться в нескольких состояниях одновременно, т. е. нельзя придать никакого смысла сумме возможных состояний. Если я нахожусь сейчас в комнате, я, стало быть, не в коридоре. Состояние, когда я одновременно нахожусь и в комнате, и в коридоре, лишено смысла. Я ведь не могу одновременно находиться и там, и там! И не могу одновременно выйти отсюда через дверь и выскочить через окно. Я либо выхожу через дверь, либо выскакиваю в окно. Как видно, такой подход полностью согласуется с житейским здравым смыслом.

Однако в квантовой физике такая ситуация является лишь одной из возможных. Состояния системы, когда возможен либо один вариант, либо другой, в квантовой механике называют смешанными. Это состояния, которые нельзя описать с помощью волновой функции из-за неизвестности компонент, обусловленных её взаимодействием с окружением. Они описываются т. н. матрицей плотности. В этом случае можно говорить только о вероятности различных исходов экспериментальных измерений. Волновую функцию часто называют ещё вектором состояния.

Сейчас хорошо известно, что в природе имеет место и совершенно другая ситуация, когда объект находится в нескольких состояниях одновременно, т. е. имеет место наложение двух или большего числа состояний друг на друга. И не просто наложение, а наложение без какого-либо взаимного влияния. Например, экспериментально доказано, что одна частица может одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель — это одно состояние. Та же частица, проходящая через вторую щель — другое состояние. И эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний! Т. е. частица одновременно проходит через две щели! В таком случае говорят о суперпозиции состояний.

Речь идет о квантовой суперпозиции (когерентной суперпозиции), т. е. о суперпозиции состояний, которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения. Т. е. это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих с классической точки зрения) состояний, которая не может быть реализована в классической физике. Далее под словом "суперпозиция" понимается именно квантовая суперпозиция.

Наличие этих двух типов состояний — смеси и суперпозиции — является узловым для понимания квантовой картины мира. Другой важной для нас темой будут условия перехода суперпозиции состояний в смесь и наоборот. Эти и другие вопросы мы разберём на примере знаменитого двухщелевого эксперимента.

Для начала возьмём пулемёт, и проведём мысленно эксперимент, показанный на рис. 1.

Он не очень хорош, наш пулемёт. Он выпускает пули, направление полёта которых заранее неизвестно. То ли направо они полетят, то ли налево…. Перед пулемётом стоит броневая плита, а в ней проделаны две щели, через которые пули свободно проходят. Далее стоит "детектор" — любая ловушка, в которой застревают все попавшие в неё пули. Когда нужно, можно пересчитать число пуль, застрявших в ловушке на единицу её длины, и разделить её на полное число выпущенных пуль. Или на время стрельбы, если скорость стрельбы считать постоянной. Эту величину — число застрявших пуль на единицу длины ловушки в окрестности некоторой точки Х, отнесённой к полному числу пуль, мы будем называть вероятностью попадания пули в точку Х. Заметим, что мы можем говорить только о вероятности — ведь мы не можем сказать определённо, куда попадёт очередная пуля. Ведь пуля, даже попав в дыру, может срикошетить от её края и уйти вообще неизвестно куда.

Давайте мысленно проведём три опыта: первый, когда открыта первая щель, а вторая закрыта, второй — когда открыта вторая щель, а первая закрыта. И, наконец, третий опыт, когда обе щели открыты.

Результат нашего "эксперимента" показан на этом же рисунке, на графике. Вероятность в нём отложена вправо, а координата — это и есть положение точки X. Синяя кривая показывает распределение вероятности P1 попавших в детектор пуль при открытой первой щели, зелёная кривая — вероятность попадания в детектор пуль при открытой второй щели, и красная кривая — вероятность попадания в детектор пуль при обеих открытых щелях. Сравнив величины P1, P2 и P12, мы можем сделать вывод, что вероятности просто складываются,

P1 + P2 = P12.

Итак, для пуль действие двух щелей складывается из действия каждой щели в отдельности.

Представим себе такой же опыт с электронами, схема которого показана на рис. 2.

Возьмём электронную пушку, типа тех, которые стоят в каждом телевизоре, и поместим перед ней непрозрачный для электронов экран с двумя щелями. Прошедшие через щели электроны можно регистрировать различными методами: с помощью сцинтиллирующего экрана, попадание электрона на который вызывает вспышку света, фотоплёнки или с помощью счётчиков различных типов, например, счётчика Гейгера. регистрирует прохождение электрона сквозь неё (рис. 3).

Результаты измерений для электронов в случае, когда одна из щелей закрыта, выглядят вполне разумно, и весьма походят на наш опыт с пулемётной стрельбой (синяя и зелёная кривая на рисунке). А вот для случая, когда обе щели открыты, мы получаем совершенно неожиданную кривую P12, показанную красным цветом. Она явным образом не совпадает с суммой P1 и P2! Получившуюся картину называют интерференционной картиной от двух щелей.

Давайте попробуем разобраться, в чём тут дело. Если мы исходим из гипотезы, что электрон проходит либо через щель 1, либо через щель 2, то в случае двух открытых щелей мы должны получить сумму эффектов от одной и другой щели, как это имело место в опыте с пулемётной стрельбой. Вероятности независимых событий складываются, и в этом случае мы бы получили P1 + P2 = P12.

Может, мы не учли какой-нибудь существенный эффект, и суперпозиция состояний здесь совсем ни при чём? Может быть, у нас очень мощный поток электронов, и разные электроны, проходя через разные щели, как-то искажают движение друг друга? Для проверки этой гипотезы надо модернизировать электронную пушку так, что электроны вылетали из неё достаточно редко. Скажем, не чаще, чем раз в полчаса. За это время каждый электрон уж точно пролетит всё расстояние от пушки до детектора и будет зарегистрирован! Так что никакого взаимного влияния летящих электронов друг на друга уж точно не будет!