Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания

Страшная загадка

Сегодня при упоминании имени Шрёдингера в памяти сразу всплывают кот, ящик и парадокс. Его знаменитый мысленный эксперимент, опубликованный в 1935 году в рамках работы «Текущая ситуация в квантовой механике», представляется одним из самых жестоких в истории науки. Впервые услышав о нем, люди сначала ужасаются и тут же испытывают громадное облегчение, узнавая, что эксперимент — гипотетический и никогда не проводился на живом коте.

Шрёдингер предложил этот мысленный эксперимент в 1935 году в работе, посвященной исследованию феномена квантовой запутанности в физике. Квантовая запутанность (термин, введенный Шрёдингером) — это ситуация, когда две или несколько частиц описываются одним квантовым состоянием, то есть если что-то происходит с одной из частиц, это одновременно затрагивает и все остальные частицы.

Частично вдохновленная диалогом с Эйнштейном, загадка кота Шрёдингера проверяет на прочность принципы квантовой физики, предлагая нам представить судьбу кота, состояние которого запутано с состоянием частицы. Кот заперт в ящике, в котором находятся атом радиоактивного вещества, счетчик Гейгера и герметичный сосуд с ядом. Ящик закрыт на такой интервал времени, по истечении которого атом с вероятностью 50% может распасться с испусканием частицы. Аппарат сконструирован таким образом, что если счетчик Гейгера зарегистрирует порожденную в результате распада частицу, то сосуд с ядом разобьется и кот погибнет. Однако если распада не произойдет, то кот не пострадает.

Как отмечает Шрёдингер, согласно правилам измерений в квантовой механике, пока ящик закрыт, состояние кота (мертвый или живой) будет запутано с состоянием радиоактивного атома, распад которого фиксирует счетчик Гейгера. Таким образом, кот оказывается в состоянии квантовой суперпозиции подобно зомби (и живой и мертвый одновременно) до тех пор, пока не сработает таймер, исследователь не откроет коробку и не произойдет редукция запутанного квантового состояния кота и счетчика в какое-нибудь одно из возможных состояний.

С конца 1930-х до начала 1960-х годов этот мысленный эксперимент редко упоминался, разве что на лекциях по физике в качестве анекдота. К примеру, профессор Колумбийского университета и нобелевский лауреат Т. Д. Ли рассказывал о нем своим студентам, демонстрируя им странную природу редукции волновой функции ^{3}. В 1963 году физик Принстонского университета Юджин Вигнер упомянул мысленный эксперимент в своей работе о квантовых измерениях, а также расширил его до более общего случая, известного теперь как парадокс друга Вигнера.

Знаменитый философ Гарвардского университета Хилари Патнэм, узнавший об этой загадке от своих коллег-физиков, был одним из первых мыслителей не из мира физики, кто попытался проанализировать мысленный эксперимент Шрёдингера ^{4}. Свои выводы он привел в классической статье 1965 года «Взгляд философа на квантовую механику», ставшей впоследствии одной из глав его книги. Когда в том же году об этой работе написали в книжном обзоре журнала Scientific American, термин «кот Шрёдингера» стал широко известен в научно-популярной литературе. Спустя десятилетия он вошел в культуру как символ неоднозначности и не раз упоминался в рассказах, эссе и даже стихах.

Несмотря на широкую известность парадокса шрёдингеровского кота, о самом физике, придумавшем его, мало что известно. В то время как Эйнштейн с 1920-х годов являлся иконой, своего рода символом блестящего ученого, мало кто был знаком с биографией Шрёдингера. Ирония в том, что прилагательное «шрёдингеровскнй», используемое для описания сумбурности и запутанности происходящего, в равной мере применимо и к нему самому.

Человек, полный противоречий

Неопределенность состояния кота Шрёдингера удивительно соответствует противоречивости его создателя. Педантичный профессор-очкарик находился в квантовой суперпозиции контрастирующих взглядов. Его «инь-ян»-существование началось еще в детстве, так как в семье говорили на немецком и английском языках, и он вырос билингвом. Будучи связан со многими странами, но пылая особой любовью к родной Австрии, он был одинаково далек и от национализма, и от интернационализма, и от политики как таковой.

Шрёдингер любил физические упражнения на свежем воздухе, но при этом вынуждал других задыхаться от вездесущего дыма его трубки. На официальные конференции он приходил одетый как обыкновенный турист. Он называл себя атеистом и размышлял о божественном замысле В его жизни был период, когда он жил одновременно и со своей женой, и с женщиной, бывшей матерью его первого ребенка. Его докторская диссертация соединяла в себе экспериментальную и теоретическую физику. На ранней стадии карьеры он задумывался о том, не переключиться ли ему на философию, но затем вернулся к физике. Л затем он бесчисленное количество раз менял место работы в институтах Австрии, Германии и Швейцарии.

Физик Вальтер Тирринг описывал Шрёдингера следующим образом: «Он вел себя так, будто его постоянно преследуют: его гений гнал его от одной проблемы к другой, а политические силы двадцатого века — из одной страны в другую. Он был человеком, полным противоречий» ^{5}.

В его карьере был период, когда он яростно настаивал на том, что надо отказаться от принципа причинности в пользу чистой случайности. Несколько лет спустя, после разработки детерминистического уравнения, у него начали возникать сомнения. Возможно, все же существуют законы причинности, — рассуждал он. А затем физик Макс Борн реинтерпретировал его уравнение в терминах вероятности. После периода споров об этом подходе Шрёдингер снова начал склоняться к вероятностной интерпретации. Позже колесо рулетки его философских убеждений опять остановилось на детерминизме.

В 1933 году, осуждая нацистский режим, Шрёдингер решительно отказался от престижной должности профессора теоретической физики в Берлинском университете. Он был самым выдающимся физиком нееврейского происхождения, добровольно отказавшимся работать на национал-социалистов. Проработав некоторое время в Оксфорде, Шрёдингер принял решение вернуться в Австрию и занять пост профессора в Грацком университете. Но после аншлюса Австрии нацистской Германией он по неизвестным причинам предпринял попытку заключить с правительством сделку, чтобы сохранить за собой должность. В опубликованном «письме примирения» с новой властью он извинился за прежнюю оппозиционность и заявил о своей лояльности. Но, несмотря на это, ему все же пришлось покинуть Австрию, и он отправился в Дублин, чтобы занять многообещающий пост в Институте перспективных исследований. На нейтральной территории он публично отказался от своего «письма примирения».

«Он проявил удивительную гражданскую смелость после прихода Гитлера к власти в Германии… и отказался от самой желанной профессорской должности в физике, — отмечает Тирринг, — но когда нацисты добрались до него, ему пришлось участвовать в этой жалкой показной акции солидарности с террористическим режимом» ^{6}.

Квантовые соратники

Эйнштейн, который в Берлине был коллегой и близким другом Шрёдингера, все время поддерживал с ним активную переписку, в которой они обсуждали общие интересы в физике и философии. Они вместе боролись против общего врага — чистой случайности — как противоположности естественного порядка.

Знакомые с работами Спинозы, Шопенгауэра, для которого объединяющим принципом была воля, собирающая воедино все природные силы, а также трудами других философов, Эйнштейн и Шрёдингер негодовали по поводу неопределенности и субъективности в описании Вселенной на самом фундаментальном уровне. И хотя они оба сыграли важную роль в создании и развитии квантовой механики, оба были убеждены, что эта теория неполна. Несмотря на признание экспериментов, подтверждающих квантовую теорию, они верили, что дальнейшие теоретические исследования позволят раскрыть вневременную, объективную реальность.