Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Математическое отступление почти на целую страницу о связи спина и поворотов, которое я хочу сделать, начинается с придуманного Дираком фокуса с ремнем. Возьмите ремень средней ширины и книгу, желательно толстую (содержание большого значения не имеет, важнее формат и масса). Раскройте ее примерно посередине, вложите между страницами конец ремня без пряжки, закройте и положите на край стола. Тяжестью своих страниц книга должна удерживать конец ремня. Держась за пряжку, растяните ремень как ленту (натягивать сильно ни к чему, да и невозможно, потому что ремень выскочит из книги). Теперь поверните пряжку на два полных оборота (на 720°); ремень при этом скрутится. А далее ваша задача – избавиться от этой скрученности, ничего больше не вращая. Зажмите пряжку в одной руке и не отпускайте! Другой рукой вам понадобится взять книгу, не давая ремню из нее выскочить. Вы увидите, что, не вращая книгу – сохраняя ее ориентацию в пространстве, – вы можете обнести ремень вокруг нее так, чтобы он полностью раскрутился. Скручивание на два полных оборота удается «открутить», не прибегая к вращению (ни пряжки, ни книги), а только обнося ремень вокруг книги.
Но если первоначально вы скрутили ремень не на два, а на один полный оборот, «открутить» его обратно таким способом не получится.
В одном полном повороте есть что-то, чего уже нет в двух полных поворотах – что вообще-то может показаться несколько странным, потому что, закрыв глаза, повернувшись на 360° вокруг любой оси и снова открыв глаза, вы увидите мир прежним: он возвращается в исходное состояние уже после одного полного поворота. И тем не менее имеется класс математических объектов, несколько более абстрактных, чем ремень и книга, которые остаются неизменными при повторении полного поворота дважды, т. е. при повороте на 720°, но изменяются при повороте на 360°. Эти объекты живут в специальных математических пространствах, но, обитая там, умеют откликаться на повороты в обычном пространстве. Назвали их спинорами – из-за их связи со спином. Математические команды они получают от «волшебной стрелки»: когда она поворачивается в нашем обычном пространстве, спиноры «там у себя» изменяются по определенным правилам. И они не остаются прежними после одного полного поворота «стрелки» в нашем пространстве; чтобы прийти в себя, они ждут второго такого же поворота. Нам тоже придется немного подождать следующего появления спиноров на этих страницах, но ожидание окупится: в конце концов они приведут нас в антимир, открытый только что упомянутым Дираком (вклад которого в картину мироздания выходит далеко за пределы фокуса с ремнем) {34}.
Возвращаясь к упрямству «волшебных стрелок» самих по себе: оно ставит перед нами несколько вопросов о природе квантовой реальности. Следует ли полагать, что измеренное значение спина вдоль выбранного направления возникает в момент его измерения? И «происходит» ли что-нибудь между измерениями, когда спином электрона никто не интересуется? Мы не можем (по фундаментальным, как мы говорили, причинам) видеть квантовые объекты так, как видим обычные вещи или даже разглядываем мелкие, но вполне определенные подробности в микроскоп. Квантовые объекты «этим и пользуются», ведя лишенное наглядности существование, а информация от них доходит до нас при посредстве тех или иных устройств или агентов, которые вмешиваются в происходящее на квантовом уровне. По мере погружения в подробности квантового устройства вещей мы все острее осознаем проблему: в какой степени можно говорить о том, что представляют собой квантовые объекты «сами по себе»?
Чтобы рассуждать об этом, как минимум необходим какой-нибудь способ описания возможных состояний обитателей квантового мира: как вообще может быть устроена их «жизнь в себе» и какие средства позволят нам описывать ее настолько полно, насколько возможно? Из-за вражды, запрещающей определенные комбинации свойств, здесь далеко не все заранее ясно.
8
Что комбинируется и запутывается
Время от времени – и не так уж редко – нам случается переживать несколько различных эмоций сразу. Испытывая комбинации эмоций типа «грустно и легко одновременно», мы находимся во власти обеих, но и каждая не теряет своей индивидуальности. В привычном физическом мире, в отличие от психического, индивидуальности вещей не смешиваются. Камни, стулья и тигры существуют сами по себе, каждый является чем-то одним. Электрон, однако, способен одновременно «переживать» состояние со спином вверх и состояние со спином вниз, а равным образом – свое нахождение в множестве точек пространства, притом что находиться в любой конкретной ему со всей возможной строгостью запрещено. Сосуществование различных возможностей описывается в рамках специальной математической схемы – ключевого элемента всей квантовой механики.
Успех всеобщей шрёдингеризации неотделим от способа описания квантовых систем, при котором различные «возможности» комбинируются в нечто единое, существуют вместе, но не растворяются друг в друге. Это определяющий момент в построении квантовой механики, ее внутренний механизм, работающий по своим особым законам. Из предыдущих глав должно быть ясно, что практически ничего «обычного» электрон и его собратья делать не могут: не могут, для начала, двигаться по определенным траекториям. На их долю остаются «переживания» (разумеется, в кавычках) в специальных математических пространствах. Там свои правила, и туда, довольно удивительным образом, переносятся основные события: там все и происходит.
Вообще для описания любой системы требуются средства, позволяющие перечислить все, что с ней в принципе может случиться – перечислить все ее возможные состояния. Не побоюсь тавтологии: «состояние» как теоретическая конструкция – например, для использования в уравнении – должно максимально полно описывать состояние интересующей нас системы. В нашем привычном мире эту роль выполняют положение в пространстве и скорость (с учетом направления, конечно) для каждой «самостоятельной» части системы, которая нас интересует. Камни могут лежать рядом друг с другом, а могут быстро разлетаться в разные стороны.
В квантовом же мире в абстрактную конструкцию состояния, какой бы она ни была, можно включить только по одному элементу из каждой враждующей пары «положение – скорость»: если положение в пространстве, то не скорость. Но куда же годится такое неполное описание с использованием только половины величин? В случае «камней» этой половины определенно было бы недостаточно. Кажется, что мы теряем возможность описывать, что происходит с квантовыми системами.
Здесь интрига усложняется. С одной стороны, я проявил пресловутую недисциплинированность мышления, перенеся на квантовый случай понятие «происходит», которое нагружено смыслами из окружающего мира, почти наверняка неприменимыми в мире квантовом; там не следует предполагать ничего из «очевидного», а рассуждать надо более формально. А с другой стороны – как раз в рамках более формальных рассуждений – оказывается, что хоть мы и ограничены «бедным» описанием на основе только половины величин, мы получаем за это неожиданную компенсацию: состояния наделяются особым свойством – возможностью комбинироваться колоссальным числом способов. Ради такой возможности им и приходится жить в математических пространствах.
Если квантовая система в принципе может находиться в состоянии А, а также может находиться в состоянии Б, то она может находиться и в произвольной комбинации этих состояний. Характерный пример «из жизни» мы уже встречали в главе 4: мы говорили там, что у электрона в атоме нет свойства занимать какое-либо положение в пространстве. К этому сейчас можно добавить, что причина – именно в комбинации (по официальной терминологии, суперпозиции) состояний. Электрон в атоме находится в комбинации состояний, каждое из которых отвечает определенному положению, но именно наличие комбинации не позволяет электрону занимать какое бы то ни было положение в пространстве. Если вам не вполне ясно, как представить себе такой способ существования электрона, то это нормально. Не оглядывайтесь по сторонам в надежде увидеть квантовое состояние! Их здесь нет, они населяют свое собственное пространство.
