Переосмысление эксперимента с котом Шрёдингера: Наблюдатели за котятами Шрёдингера видят разные реальности?

Квантовая механика — дама капризная. Она с блеском описывает поведение микромира, но при попытке приложить её законы к привычной нам реальности, возникают парадоксы, от которых у физиков седеют волосы (если они, конечно, ещё остались). Один из самых известных «головных болей» — знаменитый кот Шрёдингера, одновременно живой и мёртвый в закрытой коробке. Но что, если пойти дальше и заставить наблюдателей за котом оказаться в таком же запутанном состоянии?

Именно это и сделали физики-теоретики, предложив усложнённый вариант классического мысленного эксперимента. Если раньше несчастный кот балансировал на грани жизни и смерти, то теперь в квантовую неопределённость погружаются сами экспериментаторы, наблюдающие за котом… и друг за другом. Звучит запутанно? Ещё бы! Но именно эта запутанность может стать ключом к разгадке самых фундаментальных тайн Вселенной.

От кота к наблюдателю: эволюция парадокса

Давайте вспомним, с чего всё начиналось. Эрвин Шрёдингер в 1935 году предложил мысленный эксперимент, призванный продемонстрировать абсурдность применения квантовых законов к макроскопическим объектам. В закрытой коробке находится кот, флакон с ядом и радиоактивный атом. Если атом распадается, механизм разбивает флакон, и кот… ну, вы поняли. Проблема в том, что до открытия коробки атом находится в суперпозиции — он и распался, и не распался одновременно. А значит, и кот тоже находится в суперпозиции — он одновременно и жив, и мёртв.

Этот образ, растиражированный в массовой культуре, на самом деле — мощный инструмент для изучения границ применимости квантовой теории. Где проходит черта между квантовым миром, полным неопределённостей, и классическим миром, где всё чётко и однозначно? Ведь, в конце концов, всё в нашем мире состоит из квантовых частиц.

В 1960-х Юджин Вигнер добавил в эксперимент нового персонажа — «друга», который находится в лаборатории и наблюдает за котом. Для Вигнера, стоящего снаружи лаборатории, до момента, пока он не откроет дверь, вся система «друг + кот» находится в суперпозиции. Даже если друг уже давно открыл коробку и знает судьбу кота, для Вигнера они оба — и друг, и кот — в подвешенном состоянии. Получается, что реальность зависит от наблюдателя!

Два кота, два друга, и полная неразбериха

И вот, наконец, мы подходим к самому интересному — к эксперименту, предложенному Ренато Реннером и Даниэлой Фраучигер. Они «размножили» схему Вигнера, добавив вторую пару «наблюдатель-друг». Теперь у нас есть Алиса и Боб, каждый из которых наблюдает за своей лабораторией, где находится их друг, проводящий эксперимент. И, внимание, результаты экспериментов в лабораториях связаны между собой!

Это ключевой момент. Алиса и Боб, проводя измерения над своими лабораториями, могут получить информацию не только о том, что произошло у них, но и о том, что случилось в лаборатории другого. Это как если бы вы, не открывая полностью коробку с котом, могли бы узнать, жив он или мёртв, по выражению лица человека, который заглянул в коробку.

И что же в итоге? А в итоге — полный крах привычной логики. Оказывается, что при определённых условиях Алиса и Боб могут получить противоречащие друг другу результаты. То есть, для одного кот будет жив, а для другого — мёртв. И оба будут правы!

Что всё это значит? Три варианта (и все странные)

Этот парадокс, получивший название парадокса Фраучигер-Реннера, ставит перед физиками фундаментальные вопросы. Он заставляет пересмотреть наши представления о знании, реальности и, возможно, о самой квантовой теории.

Есть три основных способа «разрешить» этот парадокс:

• Многомировая интерпретация: Каждый раз, когда происходит квантовое измерение, Вселенная расщепляется на множество параллельных миров, в каждом из которых реализуется один из возможных исходов. То есть, есть мир, где кот жив, и мир, где кот мёртв. И Алиса с Бобом просто оказались в разных мирах. Проблема в том, что даже в этой интерпретации, как показывают расчёты, не удаётся добиться полной согласованности результатов для всех наблюдателей.

• Объективный коллапс: Волновая функция (та самая, которая описывает квантовую неопределённость) коллапсирует — «схлопывается» — не только при измерении, но и спонтанно, сама по себе. Это решает проблему зависимости от наблюдателя, но не объясняет, почему и как происходит этот коллапс.

• Пересмотр квантовой теории: Возможно, сама квантовая теория неполна. Парадокс Фраучигер-Реннера указывает на то, что при описании сложных систем, включающих наблюдателей, квантовая механика даёт сбой.

В поисках новой физики

Последний вариант — самый радикальный и, возможно, самый перспективный. Учёные уже давно подозревают, что квантовая механика и общая теория относительности (теория гравитации Эйнштейна) не стыкуются друг с другом. Возможно, именно парадокс Фраучигер-Реннера, показывающий «слабые места» квантовой теории при описании сложных систем, станет отправной точкой для создания новой, более фундаментальной теории, которая объединит квантовый мир и мир гравитации.

Каким будет этот новый мир? Покажет время. Но одно можно сказать наверняка: коты Шрёдингера, и особенно их «наблюдатели», ещё не раз заставят нас поломать голову над загадками Вселенной. И, кто знает, может быть, именно в этих запутанных парадоксах и кроется ключ к пониманию самой сути реальности.