Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

Электроны – крошечные субатомные частицы. Для наших целей достаточно представить себе, что электрон – это очень-очень маленький шарик.

Шарики могут вертеться по часовой стрелке и против часовой стрелки. Электроны тоже.

Нарисуем наш вращающийся электрон и возьмем его в кет-скобки:

ЕДИНСТВЕННАЯ странность квантовой механики

В квантовой механике на самом деле есть только одна странность, и вы о ней уже знаете: квантово-механические частицы способны делать много всего вроде бы взаимоисключающего одновременно.

Например, эксперимент Юнга на двух щелях показал, что фотоны могут находиться в двух местах одновременно. И огромное количество крышесносных экспериментов, аналогичных юнговскому, показывают, что такие же сверхспособности есть у электронов. Они тоже могут находиться во многих местах сразу и умеют одновременно вращаться и по часовой стрелке, и против.

Чтобы представить себе, как это работает, удобно прибегнуть к цветовым аналогиям: если по часовой стрелке – это «белый», а против часовой стрелки – «черный», то я имею в виду, что электроны могут быть и «серыми».

Эта идея кажется какой-то неправдоподобной, а то и вовсе невероятной. Мы же никогда не видели, чтобы объект вращался сразу в обоих направлениях. Однако и математика, и эксперименты однозначно показывают, что именно это и происходит.

А как описать эту ситуацию при помощи кет-скобок? Покажем, что наш электрон делает и то и другое одновременно, поставив между двумя кет-скобками знак плюс:

Согласно квантовой механике, такие «серые» частицы, вращающиеся в обоих направлениях сразу, вездесущи.

«Но постойте! – скажете вы. – Если мир полон странных объектов, которые вращаются по часовой стрелке и против нее одновременно, почему я никогда в жизни ничего подобного не видел?»

Этот отличный вопрос и лежит в основе так называемой проблемы измерения в квантовой механике. Очень может быть, что это наиглавнейший вопрос в современной физике.

Ответ на него выведет нас прямиком на множественные миры и квантовое сознание.

Как рассказывать истории при помощи кет-скобок

Прежде чем открывать квантово-механический ящик Пандоры, нам нужно обсудить еще кое-что: надо уделить минутку тому, как при помощи кет-скобок рассказывать истории.

Предположим, у вас есть электрон в закрытой коробке. И пусть рядом с электроном в этой коробке находится особый датчик, который щелкнет, если электрон вертится по часовой стрелке, и не издаст звука, если электрон вертится против часовой стрелки.

Если этот датчик вращения щелкнет, он пошлет сигнал пистолету (который тоже находится в коробке), пистолет выстрелит и убьет кота (который тоже сидит в коробке).

Зарисуем этот сценарий при помощи кет-скобок. Если наш электрон вращается по часовой стрелке, вот как все будет выглядеть, пока датчик еще не включен:

Теперь мы включаем датчик. Поскольку электрон вращается по часовой стрелке, датчик срабатывает. Отметим это галочкой (3):

Датчик посылает сигнал пистолету, тот через долю секунды стреляет, и в этот момент наша коробка выглядит вот так:

Пуля свистит в воздухе и миг спустя настигает кота, который, увы, становится жертвой нашего эксперимента:

По сравнению с этим случай, когда электрон вращается в другом направлении, очень прост. Поскольку электрон вращается против часовой стрелки, он не запустит датчик – и ничего не произойдет:

Оба этих сюжета – тот, где кот остается в живых, и тот, где он погибает, – пока что выглядят совершенно логично.

Но что будет, если наш электрон вертится не в том или ином направлении, а сразу в обоих?

Ответ звучит так: зомбокот.

Квантовые зомбокоты

Расскажем следующую историю. На сей раз электрон находится в состоянии, когда он вращается сразу и по часовой стрелке, и против.

Вот как это будет выглядеть, если нарисовать все с помощью кет-скобок:

А теперь вопрос на миллион долларов: что будет, когда мы включим датчик вращения электрона? Щелкнет он или нет?

Согласно квантовой механике, и то и другое. Отчасти он зарегистрирует вращение по часовой стрелке, отчасти – против. Словно бы наш электрон сделал из одного датчика два.

И снова рисунок с кет-скобками:

Обратите внимание, что в серых скобках у нас две разные мини-истории: в одной электрон вращается по часовой стрелке и датчик щелкает, а в другой электрон вращается против часовой стрелки и датчик никак не реагирует.

Теперь подождем, пока сигнал от датчика дойдет до пистолета. Выстрелит ли пистолет, или пуля останется в магазине?

Ответ такой же, как и для датчика: и то и другое. Пистолет расщепляется на две копии – одна выстрелит, другая нет:

И это подводит нас к вопросу о коте.

Должно быть, вы уже догадались, какая участь его ждет. Кот, как и датчик вращения с пистолетом, расщепится на две версии: одна погибнет от пули, а вторая останется в живых и продолжит вершить великие кошачьи дела.

Вот итоговое состояние всего в нашей коробке:

Заметьте: теперь мы можем рассказать о содержимом коробки две совершенно независимые истории. В одной электрон вращался по часовой стрелке, пистолет выстрелил и кот погиб, в другой вращение было против часовой стрелки, пистолет не выстрелил и кот остался в живых.

И то и другое правда. Ни та ни другая версия не правдивее другой. Они сосуществуют внутри коробки.

Электрон вращается по часовой стрелке или против? И то и другое.