Странный парадокс кота Шрёдингера пользуется неизменной популярностью. Что он означает для будущего квантовой физики?

В 1935 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер опубликовал довольно критический трёхчастный обзор того, что он назвал «текущей ситуацией» в относительно новой теории квантовой механики. В основном обзор Шрёдингера, написанный на немецком языке, является сухим и техническим и не представляет интереса для кого-либо за пределами узкого академического мира квантовой физики. Но в одном коротком абзаце, написанном с явной иронией, он дал волю фантазии, которая 90 лет спустя продолжает находить отклик в популярной культуре. Этот абзац касался кота Шрёдингера, ставшего позже знаменитым. Как малоизвестный спор о математически сложной и довольно непонятной теории физики стал частью общественного сознания в рамках исследования человеческой психики? В этой статье мы об этом расскажем.

Вот что написал Шрёдингер:

Можно даже придумать совершенно нелепые варианты. Кот заперт в стальной камере вместе со следующим дьявольским устройством (которое должно быть защищено от прямого воздействия со стороны кота): в счётчике Гейгера находится крошечное количество радиоактивного вещества, настолько малое, что, возможно, в течение часа один из [радиоактивных] атомов распадается, но с равной вероятностью, возможно, и ни один; если распад происходит, трубка счётчика разряжается и через реле выпускает молоток, который разбивает маленькую колбу с синильной кислотой. Если оставить всю эту систему в покое на час, можно сказать, что кот всё ещё жив, если за это время ни один атом не распался. Первый атомный распад отравил бы его. [Квантовая волновая функция] всей системы выражала ��ы это так, что в коробке живой и мёртвый кот (простите за выражение) смешались бы друг с другом или размазались бы там равномерно.

Хотя это был только «мысленный» эксперимент, парадокс кота Шрёдингера был обречён присоединиться к собаке Павлова в научном бестиарии странностей.

Чтобы понять, о чём говорил Шрёдингер, нам нужно немного разобраться в этом вопросе. Сущность «дьявольского устройства» Шрёдингера на самом деле не важна для его аргументации. Его цель состоит просто в том, чтобы усилить событие атомного масштаба — распад радиоактивного атома — и перенести его на более привычный масштаб живого кота, запертого в стальной коробке. Теория, описывающая объекты и события, происходящие на уровне атомов и субатомных частиц, таких как электроны, — это квантовая механика. Но в этой теории атомы и субатомные частицы описываются не как крошечные, самодостаточные объекты, движущиеся в пространстве. Вместо этого они описываются с помощью квантовых волновых функций, которые отражают совершенно странный аспект их наблюдаемого поведения. При определённых обстоятельствах эти частицы могут также вести себя как волны.

Эти противоположные варианты поведения интуитивно просто не могли бы быть более контрастными или несовместимыми. Частицы имеют массу. По своей природе они «находятся тут»: они локализованы в пространстве и остаются локализованными, когда перемещаются отсюда туда. Бросьте много частиц в небольшое пространство, и они, как шарики, будут сталкиваться, отскакивая друг от друга в разных направлениях. Волны, с другой стороны, распространяются в пространстве — они «нелокальны». Пропустите их через узкую щель, и они, как волны в море, проходящие через проём в стене гавани, будут распространяться за её пределы. Физики называют это дифракцией. Сдвиньте вместе несколько разных волн, и они сольются, образуя то, что физики называют суперпозицией. Пики и впадины всех разных волн складываются. Там, где пик встречается с пиком, в результате получается более высокий пик. Там, где впадина встречается с впадиной, в результате получается более глубокая впадина. Там, где пик встречается с впадиной, они оба уменьшаются, и, если они оказались одинаковой высоты и глубины, они полностью компенсируют друг друга. Физики называют это интерференцией.

К 1935 году математическая формулировка квантовой механики была относительно зрелой и признавалась большинством физиков как завершённая. Но теория не говорит, где должны заканчиваться все квантовые странности. Применительно к радиоактивному атому квантовая теория гласит, что через час волновая функция атома представляет собой уже равное смешение — суперпозицию — распавшихся и не распавшихся атомов.

Мы могли бы остановиться на этом, но мы знаем, что взаимодействие между атомом и дьявольским устройством также должно описываться квантовой механикой, по крайней мере на ранних этапах. Если мы решим воспринимать теорию буквально, то расширение её уравнений с целью включения всего устройства означает, что волновая функция эволюционирует в суперпозицию распавшегося атома и сработавшего устройства, а также нераспавшегося атома и несработавшего устройства. В своём обзоре Шрёдингер ввёл термин «запутанность» для описания этой ситуации. Радиоактивный атом запутывается с устройством.

Если мы логически расширим эту запутанность за пределы устройства, чтобы включить в неё кота, то, как объяснил Шрёдингер, мы получим волновые функции, которые являются суперпозицией распавшегося атома, сработавшего устройства и мёртвого кота, а также нераспавшегося атома, несработавшего устройства и живого кота. Живой кот и мёртвый кот, таким образом, кажутся «смешанными или размазанными в равных частях».

Итак, кот мёртв или жив? Мы не можем этого знать, пока не поднимем крышку коробки и не посмотрим. Если мы будем придерживаться квантовой теории, распространённой на кота, то, предположительно, в момент, когда мы поднимаем крышку, волновая функция «коллапсирует», и мы обнаруживаем, что кот жив или мёртв. Но здесь есть небольшая проблема, которая имеет огромные последствия. Нигде в математической формулировке квантовой механики вы не найдёте уравнения, описывающего этот коллапс. Нам остаётся только предполагать, что он происходит.

Хорошо, но можем ли мы хотя бы предсказать судьбу кота, прежде чем поднять крышку? Квантовая теория говорит: нет, не можем. Согласно общепринятой интерпретации, суперпозиция двух возможностей отражает относительные вероятности возникновения одной или другой. Но эти вероятности превращаются в реальные результаты только тогда, когда предполагается, что волновая функция коллапсировала, когда суперпозиция одной возможности и другой превращается в одну реальность или другую. Казалось бы, акт наблюдения буквально убивает кота (или не убивает).

Это очень важно. Это не то же самое, что подбросить «честную» монету и получить орла или решку с одинаковой вероятностью. Обычно мы не стали бы описывать монету как находящуюся в суперпозиции орла и решки, когда она летит в воздухе, хотя в принципе ничто не мешает нам это сделать. Мы не делаем этого, потому что, конечно, знаем, что обе стороны монеты продолжают существовать без изменений, когда мы подбрасываем её в воздух и когда она вращается, падая на землю. Но квантовая механика работает не так. В настоящее время существует множество квантовых экспериментов, которые демонстрируют, что предположение о том, что объекты, такие как атомы или электроны, существуют в каком-то состоянии до того, как их наблюдают, может привести к предсказаниям, которые противоречат как квантовой теории, так и результатам экспериментов. Мы просто не можем обойтись без суперпозиции или вероятностей. Нам нужна эта странность.

Хотя большинство физиков, по-видимому, приняли аргумент о том, что квантовая механика предоставляет полную теорию отдельных квантовых объектов и событий, были и некоторые заметные несогласные. Альберт Эйнштейн никогда не был доволен последствиями квантовой теории для закона причины и следствия, а также использованием вероятностей прославившись своим заявлением, что Бог «не играет в кости». Ранее, в 1935 году, Эйнштейн и его коллеги из Принстона Борис Подольский и Натан Розен опубликовали знаковую статью, в которой утверждали, что квантовая механика не может считаться полной теорией. В ней отсутствовало что-то важное. Хотя Эйнштейн и Шрёдингер не соглашались в деталях, они были едины в своём мнении, и их переписка в течение лета 1935 года вдохновила Шрёдингера на разработку его парадокса с котом.

Шрёдингер понимал, что ни при каких обстоятельствах его кот не может считаться одновременно живым и мёртвым. По его мнению, его парадокс раскрывал явную абсурдность квантовой теории не тем, что «квантовая теория утверждает», что суперпозиция, состоящая из живого и мёртвого кота, является реальной возможностью, а тем, что то, чего квантовая теория не утверждает, может привести к логическому абсурду. Эйнштейн ответил: «... ваш кот показывает, что наши точки зрения совпадают».

И на этом дело на время улеглось. Парадокс кота был ограничен одним абзацем в длинной обзорной статье, и несогласие Шрёдингера не произвело большого впечатления на большинство физиков, включая тех, кто долго размышлял над смыслом квантовой теории. Он сохранился в переписке между Эйнштейном и Шрёдингером до начала 1950-х годов и вновь появился в 1957 году во время конференции физиков и философов, состоявшейся в Бристоле, Англия.

В дискуссии, представленной в материалах конференции, американский физик Дэвид Бом воскресил кота Шрёдингера. К этому времени парадокс эволюционировал и основывался на одном фотоне (частице света), проходящем (или не проходящем) через полупрозрачное (или «одностороннее») зеркало. Как и радиоактивный атом, фотон имеет 50/50 шансов пройти через зеркало или отразиться от него. Прохождение фотона запускает дьявольский механизм, в результате которого в кота стреляет пистолет.

Парадокс вновь появился в 1965 году в эссе американского философа Хилари Патнэма под названием «Философ смотрит на квантовую механику». Фотон и полупрозрачное зеркало остались, но дьявольский механизм теперь включал в себя поражение кота электрическим током (или отсутствие поражения). Патнэм пришёл к выводу, что «на сегодняшний день не существует удовлетворительной интерпретации квантовой механики».

А дальше произошло нечто интересное. Исследуя специальную теорию относительности Эйнштейна для книги, которую она писала где-то в 1972 году, американская писательница-фантаст Урсула Ле Гуин наткнулась на упоминание о коте Шрёдингера. Как написал философ Роберт Крис в статье 2024 года, она сразу же «была очарована подразумеваемой неопределённостью и оценила фантастический характер образа Шрёдингера». Мы не можем быть уверены в точности событий и временных рамок, поскольку Ле Гуин читала очень много, но не вела систематических записей, однако это «наилучшее предположение» о развитии событий, сделанное Джулией Филлипс, которая сейчас занята написанием авторизованной биографии Ле Гуин, запланированной на апрель 2026 года. По просьбе своей героини «спасти её от стервятников», Филлипс провела много глубоких интервью с Ле Гуин перед смертью писательницы в 2018 году. Они договорились, что биография будет опубликована посмертно.

В своём рассказе «Кот Шрёдингера» (1974) Ле Гуин представляет версию парадокса, выдвинутую Бомом, и связанную с фотоном, полупрозрачным зеркалом и пистолетом. В диалоге между безымянным рассказчиком и собакой по кличке Ровер Ле Гуин пишет:

«... Мы не можем предсказать поведение фотона, и, следовательно, после того, как он проявил себя, мы не можем предсказать состояние системы, которое он определил. Мы не можем этого предсказать! Бог играет в кости с миром! Так что это прекрасная демонстрация того, что если вы желаете уверенности, любой уверенности, вы должны создать её сами!»
«Как?»
«Подняв крышку коробки, разумеется», — ответил Ровер...

И тут понеслось. С этого момента кот Шрёдингера регулярно начал появляться в художественной литературе. Не только в научной фантастике, но и в широком спектре рассказов и романов, фильмов, пьес, телевизионных шоу, стихов и музыки. Развитие физики в начале 1980-х годов одновременно вызвало бурный интерес к популярной научно-популярной литературе, такой как книга Джона Гриббина «В поисках кота Шрёдингера» (1984).

Культурная привлекательность кота заключается в вопросах «что, если», которые она вызывает. Она побуждает нас размышлять о последствиях наших человеческих выборов. Что, если мы решим не смотреть? Если мы не смотрим, можно ли сказать, что кот действительно существует? Наше решение поднять крышку похоже на встречу с развилкой на дороге. Мы выбираем путь. Как и американский поэт Роберт Фрост, мы можем выбрать путь, по которому ходят реже. Но что, если бы мы выбрали другой путь? Фильм Sliding Doors (1998) [в российском прокате – «Осторожно, двери закрываются!» / прим. перев.] рассказывает две параллельные истории: одна разворачивается, когда Хелен Куилли (Гвинет Пэлтроу) опаздывает на поезд в лондонском метро, а вторая — когда ей удаётся сесть в него. Жизнь Куилли складывается по-разному в зависимости от того, успевает она пройти через раздвижные двери и сесть в поезд или нет. То, что такой тривиальный «момент раздвижных дверей» может глубоко изменить ход нашего будущего, вызывает глубокое беспокойство.

Но это ещё не всё. Как сама Ле Гуин заметила в своём рассказе, в самом поднятии крышки, по-видимому, нет ничего особенного, а квантовая механика умалчивает о том, где в цепочке событий заканчивается странность. Она написала: «Но почему открытие коробки и взгляд внутрь сводят систему обратно к одной вероятности — живого кота или мёртвого кота? Почему мы не включаемся в систему, когда поднимаем крышку коробки?» Может быть, мы похожи на кота, но заперты в гораздо большей коробке, которую мы называем реальностью? Если это так, то кто сюда смотрит? И что произойдёт, когда они поднимут крышку?

Если заглядывание внутрь коробки не разрушает волновые функции системы, то, по логике, наблюдатель должен в свою очередь оказаться вовлечённым в суперпозицию. «Вот мы и стояли бы там, — писала Ле Гуин, — глядя на живого кота и… глядя на мёртвого кота». Если вы тот, кто смотрит, то в итоге появилась бы ещё одна суперпозиция, включающая две версии вас.

На этом этапе у нас может возникнуть соблазн обратиться к совершенно иной интерпретации квантовой механики. Если математика не учитывает коллапс волновых функций, зачем предполагать, что он вообще происходит? Почему бы не предположить, как предложила Ле Гуин, что вы вступаете во взаимодействие с системой, когда поднимаете крышку? Поскольку никто никогда не испытывал странного ощущения сосуществования с несколькими версиями себя, каждая из которых наблюдает разные события, мы могли бы далее предположить, что действие поднятия крышки «разделяет» Вселенную на две параллельные версии. В одной вселенной одна версия вас наблюдает мёртвого кота. В другой вселенной другая версия вас наблюдает живого кота. Необычного ощущения нет, потому что эти разные вселенные разошлись, и вы совершенно ничего не знаете о других параллельных версиях себя.

Это так называемая «многомировая интерпретация», предложенная в 1957 году американским физиком Хью Эвереттом III. Она предлагает нам мультивселенную параллельных возможностей. Мультивселенная предлагает гораздо более широкий и сложный диапазон «что, если» за пределами бинарных вопросов типа «живой/мёртвый», связанных с моментом «скользящих дверей». Что, если последствия ваших выборов накапливаются с течением времени и способствуют изменению не только ваших будущих обстоятельств, но и всей вашей личности?

Существует ли в многомерном пространстве возможностей множество совершенно разных версий вас, которые ведут себя по-разному и живут разными жизнями? Возможно, в одной из этих вселенных вы гуманны и добры, но бездомны, вынуждены просить милостыню на углах улиц. А в другой вы — бесчувственный технологический миллиардер, угрожающий подорвать устоявшийся мировой порядок. Такие вопросы с большим размахом исследуются в романе Блейка Крауча «Тёмная материя» (2016), который был адаптирован для телевидения и транслировался в прошлом году на Apple TV+.

Кот Шрёдингера в популярной культуре питает наше врождённое человеческое стремление к тайне и даёт волю смелым полётам воображения, которые помогают нам исследовать, что делает нас «нами». И, что примечательно, он утверждает, что делает всё это во имя науки, потому что так «говорит квантовая теория». Кто бы мог подумать, что физика может быть такой увлекательной?

Увы, большинство физиков придерживаются более трезвого взгляда. В 1920-х и 1930-х годах основатели квантовой механики долго мучились над этими проблемами интерпретации и пришли к решениям, которые многие сочли удовлетворительными, хотя некоторые (например, Эйнштейн и Шрёдингер) считали их глубоко неудовлетворительными.

Что на самом деле представляют собой суперпозиция и, в более широком смысле, квантовая волновая функция? Одно из мнений, наиболее тесно связанное с датским физиком Нильсом Бором и известное в целом как «копенгагенская интерпретация», заключается в том, что это всего лишь вычислительные методы, которые не следует понимать буквально. Они не являются реальными: они чисто символические. Суперпозиция просто обозначает то, что мы знаем о системе «кот в коробке», и мы используем уравнения квантовой механики для вычисления вероятностей различных ожидаемых результатов.

Таким образом, когда мы говорим о том, что кот находится в суперпозиции жизни и смерти, это не означает, что кот буквально жив и мёртв одновременно. По правде говоря, мы не знаем, в каком состоянии на самом деле находится кот, и как описать её реальное физическое положение, потому что мы не можем с уверенностью сказать, когда радиоактивный атом распадётся, или пройдёт ли фотон через зеркало или отразится. Но если мы представим эту систему как суперпозицию, мы знаем, что наши предсказания будут соответствовать результатам эксперимента. Большинство физиков, по крайней мере те, кто задумывается над этими вопросами, придерживаются этой точки зрения. Возможно, именно поэтому их нечасто приглашают на вечеринки.

Из этого следует, что не имеет значения, в какой именно точке цепочки событий мы объявляем, что странности заканчиваются. Не имеет значения, где мы размещаем «разрез Гейзенберга», названный в честь немецкого физика Вернера Гейзенберга (известного благодаря принципу неопределённости), точку, в которой мы перестаём использовать квантовую механику и переходим к более знакомым теориям физики, опубликованным более 300 лет назад Исааком Ньютоном. Это точка, в которой мы предполагаем, что волновая функция коллапсирует, и мы заменяем «и» квантовой суперпозиции на «или» фактического результата.

Гейзенберг был членом группы Бора, хотя в некоторых своих высказываниях он существенно отклонялся от философии Бора. По мнению Гейзенберга, не имеет значения, где мы решим провести разрез. Но кот — это не радиоактивный атом и не фотон. Он явно не принадлежит к квантовой сфере, и уравнения квантовой механики, даже интерпретируемые символически, не должны к нему применяться. Бор предпочитал проводить разрез в точке «необратимого акта усиления», связанного с ранними стадиями работы дьявольского устройства. То, что мы не можем точно определить, где и когда в этом процессе заканчивается странность, не опровергает вывод о том, что это происходит задолго до того, как мы добираемся до кота.

Шрёдингер заканчивает свой обзор 1935 года следующим замечанием:

Простая процедура, предусмотренная для этого... возможно, в конце концов, является лишь удобным вычислительным приёмом, но, как мы видели, сегодня он приобрёл беспрецедентное влияние на наше основное отношение к природе.

Перед нами стоит выбор. Мы можем признать, что квантовая механика — со всеми её странностями — является чисто символической структурой для предсказания вероятностных результатов наших экспериментов. Это действительно вычислительный приём, который не следует понимать буквально и который даёт нам некоторую возможность понять иначе непостижимый атомный и субатомный мир.

Или мы можем признать (вместе с Эйнштейном и Шрёдингером), что квантовая теория, по крайней мере, неполна и глубоко неудовлетворительна. Теория, способная описать атомный и субатомный мир, должна существовать – было бы у нас желание, чтобы её искать и ум, чтобы её найти.

Вот такая развилка возникла на дороге. Какой путь вы выберете?