Все, к чему мы «прикасаемся», превращается в материю

Вероятно, самое удивительное свойство элементарных частиц заключается в том, что кванты проявляются как частицы, только когда мы на них смотрим. Например, когда наблюдения за электроном не ведутся, он всегда проявляет себя как волна, что подтверждается экспериментами. Физики смогли прийти к такому выводу благодаря хитроумным опытам, придуманным для обнаружения электрона без наблюдения за ним.

Представьте, что у вас в руке шар, который становится шаром для боулинга только в том случае, если вы на него смотрите. Если посыпать тальком дорожку и запустить такой «квантованный» шар по направлению к кеглям, то он будет оставлять прямой след только тогда, когда вы на него смотрели. Но когда вы моргали, то есть не смотрели на шар, он переставал чертить прямую линию и оставлял широкий волнистый след, наподобие зигзагообразного следа, который оставляет змея на песке пустыни.

Физик Ник Герберт говорит, что иногда ему кажется, что за его спиной мир «всегда загадочен и неясен и представляет собой беспрерывно текущий квантовый суп». Но когда он оборачивается и пытается увидеть этот «суп», его взор «замораживает» содержимое «супа», и видится лишь привычная картина. Герберт считает, что мы немного похожи на легендарного Мидаса, который, согласно греческому мифу, был наделен Дионисом способностью обращать в золото все, к чему прикоснется его рука. «Человеческому постижению недоступна истинная природа „квантовой реальности“, – говорит Герберт, – поскольку все, к чему бы мы ни прикоснулись, превращается в материю» [6].

Все это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в прошлое. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и, воспринимая свойства любого объекта атомной действительности, следует обязательно учитывать взаимодействие последнего с наблюдателем.

Именно от исследователя зависит, как будет вести себя электрон в эксперименте: если прибор предназначен для измерения волны, электрон в эксперименте ведет себя как волна. Если используется прибор для изучения частицы, то электрон ведет себя как частица.

Более того, обнаружилось, что одна и та же частица одновременно может находиться в состоянии А и не-А. Речь идет о суперпозиции состояний или о наложении их друг на друга.

В классической физике исследуемый объект находится лишь в одном из множества возможных состояний. Он не может пребывать в нескольких состояниях одновременно, то есть нельзя придать смысл сумме состояний. Если я нахожусь в комнате, то меня, естественно, нет в коридоре. И я не могу одновременно выпрыгнуть в окно и выйти через дверь. Это нам всем понятно и согласуется со здравым смыслом.

Однако в квантовом мире имеет место совершенно другая ситуация. Любой квантовый объект не определен, он находится в суперпозиции возможных состояний. Это значит, что возможно наложение двух или большего числа состояний друг на друга без какого-то взаимного влияния.

Например, экспериментально доказано, что частица может одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель – это одно состояние, а та же частица, проходящая через вторую щель – это другое состояние. Эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний или квантовая суперпозиция состояний.

Рассмотрим в качестве примера интересный эксперимент, описанный выдающимся американским ученым, лауреатом Нобелевской премии по физике Робертом Фейнманом в своих лекциях [9].