Поляризация электромагнитного излучения

Неопределенность параметров квантовой системы хорошо демонстрирует пример квантов электромагнитного излучения – фотонов. Поляризующая пленка пропускает весь свет, если он поляризован вдоль штриховки на пленке, и задерживает весь свет, если его поляризация перпендикулярна штриховке. Если же поляризация фотонов составляет какой‑то угол со штриховкой, то определенного ответа на вопрос, пройдут ли фотоны сквозь пленку, просто не существует. В этом случае можно лишь попытаться оценить вероятность процесса прохождения.

 

«Сверхъестественная связь» между поляризациями двух фотонов

Такое состояние образуется наложением двух состояний, в первом из которых оба фотона линейно поляризованы вдоль вертикальной оси, а во втором – вдоль горизонтальной и содержат равные числа вертикально и горизонтально поляризованных состояний. Если на пути таких фотонов поместить горизонтальные поляризаторы, то прохождение и задержка через них фотонов будет равновероятна. При этом либо оба фотона проходят, либо вместе задерживаются. Возникает впечатление, что каждый фотон как бы «знает», проходить ему сквозь поляризатор или нет, в зависимости от поведения его «собрата».

 

КВАНТОВЫЙ КОТ ШРЁДИНГЕРА

 

Парадокс ЭПР имел большое значение для развития квантовой теории. Прежде всего, он стимулировал развитие ряда новых понятий и вызвал интерес к коррелированным состояниям квантовых частиц. Когда такие состояния были обнаружены экспериментально для фотонов, началось бурное развитие новой области в физике – квантовой оптики. Кроме того, эксперименты с коррелированными квантовыми ЭПР‑парами позволили проверить, действительно ли вероятностное поведение характерно для отдельной квантовой частицы, или это свойство совокупности частиц.

Итак, мы уже выяснили, что квантовый объект, в отличие от классического, имеет изначальную статистическую природу. Однако следует помнить, что вероятностный характер квантовых микросистем не сводится только к классической неопределенности неполного знания параметров объекта. Поэтому для описания квантовых систем используется специальное очень важное понятие – состояние.

В историю также вошел мысленный парадокс, сформулированный Шрёдингером и получивший название «Квантовый кот Шрёдингера». В нем выдающийся физик заострил внимание на необычном характере квантовых суперпозиционных состояний, сконструировав парадоксальный мысленный эксперимент, противоречащий нашему обыденному восприятию окружающей реальности. Так, он предположил, что в замкнутом ящике находится сосуд с ядом, который может быть разбит механизмом, управляемым радиоактивным распадом. Внутри ящика находится кот Шрёдингера, живой либо мертвый в зависимости от результата радиоактивного распада. Отметим, что процесс измерения как взаимодействия с макроскопическими измерительными приборами – принципиально необратимый процесс, в результате которого состояние измеряемого объекта претерпевает редукцию. Редукция, как и всякое физическое явление, имеет характерное время своего существования. Однако в силу краткосрочности процесса вопрос о его внутренней динамике, как правило, не рассматривается. В данном случае возмущение должно распространяться мгновенно, ибо частицы могут находиться на любом расстоянии друг от друга к моменту проведения измерения. И все‑таки противоречия нет. По законам квантовой механики, возмущение, вносимое при измерении, случайно. В этом случае мгновенная передача возмущения не есть передача сигнала, ибо не может нести информацию.

Шрёдингер придумал свой мысленный эксперимент, считая квантовую механику неполной и не до конца описывающей нашу реальность. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это верно и для атомного ядра. Оно обязано быть либо распавшимся, либо целым.

Нильс Бор считал, что система «Квантовый кот» перестает быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа самого действия – наблюдения и измерения определена недостаточно. До тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно: «распавшееся ядро, мертвый кот» и «целое ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит определение одного из вариантов.

В середине прошлого века американский физик Хьюго Эверетт предложил многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой оба состояния кота существуют, но взаимодействуют совершенно особым образом. Когда наблюдатель открывает ящик, мир расщепляется на две разных вселенных, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвым котом, а в другой – другой наблюдатель смотрит на живого кота. Парадокс?

Известный английский физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьем!» Окончательное единство среди физиков по этому вопросу все еще не достигнуто.

В дальнейшем мы увидим, что совершенно на первый взгляд абстрактные рассуждения о котах и квантовых законах вполне возможно применить на практике: в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. По оптическому проводнику возможно послать световой сигнал, который напоминает смесь из двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где‑то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это тут же изменит сигнал (будет произведено наблюдение) и свет перейдет в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приемном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в смеси состояний, или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. В принципе это делает возможным создание средств связи, которые исключают возможность незаметного перехвата сигнала и подслушивания.

Ну а теперь предлагаю вашему вниманию блестящую юмореску оригинального сатирика и критика религиозного мракобесия, которое нет‑нет да и поднимает голову…

Бюст Эрвина Шрёдингера в Венском университете

 

Денис АБСЕНТИС

КВАНТОВЫЙ КОТ

(фрагмент)

 

После возникновения материальных структур вторым чудом природы стала жизнь, которую Эрвин Шрёдингер называет «самым прекрасным шедевром, когда‑либо достигнутым по линии Господней квантовой механики».

Александр Мень, «История религии»

 

Англия, январь, 1935 г.

– Что за бред вы здесь понаписали, Эрвин?! – Редактор отложил рукопись, протер очки и уставился изумленным взглядом на посетителя, смущенно сидящего перед ним. – Как вам в голову пришел этот дохлый кот? Неужели без таких сомнительных аллегорий никак не объяснить сущность законов квантовой механики? Если бы я вас раньше не знал и не печатал ваши статьи…

– Ханс, мне этот кот тоже совсем не нравится… Но это как раз ваш референт настоял на нем. Сейчас я объясню. Видите ли, первоначально мне показалось, что я для популярного объяснения нашел очень яркий и знакомый всем с детства образ, который описывается суперпозицией двух состояний… Я ведь человек религиозный, и знаете… Квантовая механика ведь тоже создана по милости Господней.

Просто некоторые ее моменты многим непонятны, и надо было найти соответствующий и волнующий воображение образ, драматизирующий интерпретационную проблему. Тогда люди заинтересуются и преодолеют мнимую сложность понимания. Вот образ Иисуса на кресте – это как раз то, что было бы понятно всем…

– Эрвин… – Ханс Дитл перестал вертеть очки в руках и положил их на стол. – Вы хорошо себя чувствуете? Вы уверены, что у вас не горячка? Сначала дохлый кот, а теперь дохлый…

Редактор запнулся, поняв, что чуть не сказал что‑то кощунственное. Но захваченный своей идеей профессор ничего не заметил.

– Да ведь в том и дело, – быстро перебил редактора Шрёдингер, – что Иисус на кресте лучше всего демонстрирует суть квантового парадокса, а удар сотника с копьем – момент коллапса волновой функции. Вот представьте – наш Господь без сознания висит распятый на кресте, истекая кровью, и никто – слышите никто! – не может на этот момент сказать, мертв он или жив. Ведь это и есть в самом чистом виде понятие квантовой неопределенности. В онтологическом смысле Христос не может быть жив и мертв одновременно – это квантовая суперпозиция. Только удар копьем может дать нам ответ о его состоянии. Только такая вот эмпирическая проверка. В квантовом смысле посланный Пилатом римский сотник с копьем – это внешний наблюдатель, экспериментатор, дающий нам окончательный ответ на вопрос, жив Иисус или нет на этот момент. Это и есть образ мгновенного изменения описания квантового состояния объекта, происходящего при измерении. А до того мы ничего точно не знаем, Христос для нас не жив и не мертв одновременно!

Шрёдингер победно откинулся на спинку кресла, оглядывая растерянно выглядевшего редактора.

– Вы же понимаете, что научный журнал не может ничего такого печатать, это же явное богохульство, – выдавил из себя наконец онемевший Дитл. – Вы представляете, как бы обрушились на нас представители всех конфессий. Да это даже обсуждать нельзя в здравом уме. Серьезно, Эрвин, вы хорошо себя чувствуете?

– Мне это сначала не показалось никаким богохульством, – сразу погрустнел Шрёдингер. – Ведь такое состояние Христа прекрасно известно каждому, верующему и неверующему. Поэтому я подумал, что этот общеизвестный факт был бы очень нагляден для пояснения проблемы. Но ваш референт уже убедил меня и предложил заменить Христа на кота…

– На кота? – Казалось, редактора вот‑вот хватит удар. – Вы теперь предлагаете распятую кошку вместо Христа? Да вы действительно спятили…

– Нет‑нет, – торопливо прервал Шрёдингер. – Не распятую, конечно. Просто кошку, состояние которой нам неизвестно. Ну, не живую и не мертвую одновременно. Вот ваш референт и предложил заменить крест на коробку. Кошка помещается в герметичную коробку, и мы не знаем, жива она или уже задохнулась. Ее квантовое состояние…

– Стоп! Прекратите, Эрвин. Вы сегодня явно не в себе. Давайте перенесем разговор на завтра. Только исков от всевозможных обществ защиты животных нам не хватало!

– Но это же абстрактная кошка. Причем тут… Ну, ладно. Если душить кошку – это, на ваш взгляд, жестоко, то можно оставить в коробке дырочки, и кошка просто умрет от голода, но мы не будем знать, случилось это уже или нет. И узнаем это только тогда, когда откроем ящик.

– А экспериментатору, очевидно, надо выдать затычки для ушей, – неожиданно у редактора прорвалась злая ирония, – чтобы он не слышал мяуканья голодной кошки?

– Ну, кошке можно зашить рот… – Профессор посмотрел на выражение лица редактора и осекся. – Хорошо, не так. Кошку можно намочить и подвести к ней два электрода… Нет, не то… Можно добавить в коробку ампулу с ядом. Вот! Действительно, так лучше. Помещаем внутрь ящика кошку, запечатываем его и оставляем систему в покое на час. Мы не знаем, разбилась ампула или нет. А соответственно мы не знаем, умерла ли кошка.

– Эрвин! – Ханс Дитл уже успокоился и попытался настроить разум на аналитический лад. – Но какого дьявола эта чертова ампула должна произвольно разбиться?

– Ну, это же технические детали! Привяжем к этой ампуле молоточек, который сработает, когда… когда…

– Молоточек? – участливо поинтересовался редактор. – Да‑да. Действительно, этот ваш убийственный молоточек в вашей адской машинке, каким образом он будет приведен в действие?

– Ну… К этому молоточку мы приспособим счетчик Гейгера, а рядом расположим радиоактивный источник, испускающий гамма‑лучи…

– Так‑так‑так. – В голосе редактора уже пробивались иногда необходимые ему по должности елейные нотки психиатра. – И что же дальше?

– А механизм счетчика мы соединим с соленоидом, который, если отсчет случится, разобьет колбу с синильной кислотой…

– Колбочка с синильной кислотой? Да‑да, это очень интересно. – Дитл уже внутренне смирился с тем грустным фактом, что старина Шрёдингер сошел с ума, и думал уже только о том, как бы избавиться от явно неадекватного профессора.

– Таким образом, ящик заполнится смертоносными парами – и наш кот умрет! Или если отсчет не случится и колба останется нетронутой, то не умрет! Но до того для нас кот все еще «мертвоживой». И только процесс наблюдения переводит кота в определенное состояние. – Шрёдингер победоносно посмотрел на редактора.

– Ну, хорошо, дорогой Эрвин, хорошо, – успокаивающим сладким голосом произнес тот. – Я сейчас, к сожалению, уже опаздываю на совещание, так что мы вернемся к этому обсуждению завтра, ладно? Или послезавтра… Очень интересная идея, мы обязательно. Но мне уже пора, покорнейше прошу меня извинить…

Шрёдингер вышел за дверь кабинета и пошел вниз по широкой лестнице.

Если бы он задержался у двери, то, возможно, смог бы расслышать, как на повышенных тонах Ханс Дитл давал инструкции своей секретарше:

– Если этот сумасшедший богохульный маньяк‑вивисектор и распинатель кошек еще раз здесь появится, гоните его поганой метлой! Пусть он хоть десять раз был бы нобелевский лауреат, но позорить наше респектабельное издание описаниями мучений дохло‑недохлых кошек я из‑за него не собираюсь. И запомните – меня для него никогда нет. Слышите, никогда!

Шрёдингер этого монолога не слышал. Впрочем, то, что ни завтра, ни послезавтра ему сюда смысла возвращаться нет, профессору было и так понятно. Выйдя на улицу, физик остановился, вздохнул, покачал головой и, окинув взглядом ближайшую церковь, пробормотал вполголоса:

– Да, действительно, бред какой‑то с этой кошкой получается… Вот с Христом так все просто и понятно… Но нельзя – так нельзя… Здесь Ханс все же прав. Зря я вообще о Христе упомянул. Придется теперь пробовать обратиться в другую редакцию. Пожалуй, надо ехать в Берлин…

Вздохнув, Шрёдингер отправился домой, твердя себе: «В следующий раз ни слова о Христе, ни звука о Христе, только кот. Только кот – иначе вообще не напечатают».

– Ну, дорогой профессор, это, конечно, забавная иллюстрация… – Редактор немецкого журнала «Естественные науки» задумчиво прошелся по кабинету и повернулся к окну. – Но мне кажется, что с кошкой вы слишком уж намудрили. Ну, хорошо бы еще просто кот. Но столько лишних дополнительных приспособлений – и коробка, и смертельный газ, и молотки, соленоиды, счетчики Гейгера, гамма‑излучатели… Что‑то во всем этом есть садистско‑маниакальное, вы не находите? За что вы так не любите кошек? Может, все же можно придумать хоть что‑то немного попроще, а?

– Я уже думал на эту тему, но…

Шрёдингер в нерешительности подошел к редактору и вдруг с ужасом понял, что тот смотрит в окно на церковь. Физик застыл на месте. Секунду спустя редактор махнул рукой, словно отгоняя от себя ненужные мысли, и быстро направился к столу:

– Ну что ж, профессор, дело ваше. Хотите кота – пусть будет кот. Завтра отдаем в печать.

Шрёдингер облегченно вздохнул.