Знаю, что на Хабре тема эффекта наблюдателя поднималась неоднократно, но всё же решил расставить точки над «ё». Это моя первая статья по квантовой физике, так что критикуйте беспощадно – мне нужно знать, правильно ли я всё понял и какие ошибки необходимо исправить. Но имейте в виду, что я философ и пишу для таких же как я гуманитариев, которые приходят в ужас от уравнений с операторами, матриц плотности и фейнмановских диаграмм. Поэтому никакой математики, одно словоблудие.
«Вы действительно считаете, что Луна существует только когда вы на неё смотрите?» (Альберт Эйнштейн)
Эффект наблюдателя является краеугольным камнем квантового мистицизма – популярного нынче направления эзотерики, маскирующегося под науку и распространяющего искажённые интерпретации квантовой механики. Он покушается на святое – принцип реализма, согласно которому существует объективная, независимая от сознания наблюдателя реальность. Поэтому его очень любят философы-идеалисты, экстрасенсы, мистики и представители культуры нью-эйдж. Ведь было бы так замечательно, если бы наука экспериментальным путём доказала способность человека влиять на вещественный мир силой мысли! Это сильно воодушевляет тех, кто верит в нематериальную природу сознания, управление реальностью, «секрет притяжения», телекинез и прочую магию. Ссылки на теоретическую физику придают их словам больше убедительности. Мол, официальная наука признала, что каждый из нас своими мыслями создаёт окружающую действительность. Вот только сами физики почти единогласно открещиваются от такой трактовки и наотрез отказываются признавать первичность сознания по отношению к материи. Почему же эффект наблюдателя вызывает столько противоречий: из-за его неверного понимания некоторыми популяризаторами или по причине нежелания учёных-материалистов отказываться от старой парадигмы? Давайте разберёмся.
Всякий раз, когда речь заходит о квантовой механике, дело не обходится без упоминания двухщелевого эксперимента. Он был предложен Томасом Юнгом в 1802 г., чтобы поставить точку в споре между сторонниками волновой теории света Гюйгенса и корпускулярной теории Ньютона. Опыт довольно простой и не требует специального оборудования: нужны лишь источник света (желательно узконаправленный, чтобы лучи были когерентны), экран с двумя расположенными близко друг к другу узкими щелями (их ширина должна соответствовать длине волны излучения) и фотопластинка. Помещаем всё это в темноту, ставим экран между лампой и фотопластинкой и включаем свет. На фотопластинке появляется дифракционная картина – чередующиеся светлые и тёмные полоски разной ширины. Это доказывает волновую природу света. Волны проходят одновременно через две щели и накладываться друг на друга — интерферируют. Там, где они приходят в одной фазе, образуются гребни, а там, где в противофазе – впадины. Если закрыть одну щель, интерференция прекращается, и остаётся один гребень на половине фотопластинки. Если бы свет состоял из частиц, вместо дифракционной картины наблюдались бы две освещённые полоски в середине пластинки. На целую сотню лет проблема была решена: свет – это волна.
Однако в 1900 г. в попытке решить проблему «ультрафиолетовой катастрофы» немецкий физик Макс Планк предположил, что свет, как и любая энергия, распространяется конечными порциями – квантами. Затем Эйнштейн объяснил фотоэффект – ультрафиолетовое излучение выбивает электроны из атомов металлической пластинки. Такое возможно лишь при условии, что свет состоит из частиц – фотонов. Тогда учёные вернулись к опыту Юнга, но на этот раз сделали луч света дискретным – настолько тусклым, что можно было регистрировать отдельные фотоны. В 1909 г. они получили следующий результат: каждая вспышка оставляет на фотопластинке единичный след, и его расположение на первый взгляд случайно. А когда вспышек произведено много, на пластинке проступает уже знакомая нам дифракционная картина с гребнями и впадинами. Получается, что квант света (фотон) интерферирует сам с собой, проходя сразу через две щели. В 1924 г. Луи де Бройль сформулировал теорию корпускулярно-волнового дуализма: свет – это одновременно и волна, и частица. Два в одном или ни то, ни другое.
Впрочем, настоящие чудеса были ещё впереди. Чтобы понять, чем всё-таки является фотон, было предложено установить перед каждой из щелей детектор. Здесь необходимо прояснить, что значит «наблюдать» за элементарной частицей. Многие нью-эйджеры понимают это слово буквально, даже не зная, что субатомные частицы нельзя увидеть невооружённым взглядом или снять на оптическую камеру. Более грамотные квантовые мистики знают, что мы видим не сами объекты, а отражённый от них свет, и обнаружить местоположение фотона можно только с помощью другого фотона. Причём длина волны фотона-детектора не должна превышать длину волны наблюдаемого фотона. А чем меньше у частицы длина волны – тем выше её частота и тем больше энергия. Низкочастотные фотоны просто пройдут друг сквозь друга. Чтобы они рассеялись при столкновении, это должны быть высокочастотные гамма-фотоны, способные выбивать электроны из атомов. Регистрировать фотоны таким способом – всё равно, что проводить воздушную разведку методом ковровой бомбардировки. Совсем другое дело – наблюдать за электроном, который имеет массу покоя и может сам испускать фотоны, теряя энергию.
Итак, в 1923 г. Луи де Бройль предположил, что электрон может обладать волновыми
свойствами, в 1927 г. Клинтон Джозеф Дэвиссон и Джордж Паджет Томсон открыли дифракцию электронов и в 1937 г. получили за это Нобелевскую премию, в 1961 г. двухщелевой эксперимент был осуществлён с пучком электронов, а в 1974 г. – с единичными электронами. Результаты подтвердили предсказания теоретиков: при отсутствии детектора электрон ведёт себя так же, как и фотон, то есть проходит через обе щели. Но при наличии детектора происходит нечто странное. Прибор регистрирует прохождение электрона через одну щель, и на экране вместо дифракционной картины остаются две полоски точечных следов. В таком случае можно в точности определить траекторию движения каждой частицы, оставившей след на экране. Отсюда можно сделать вывод: в условиях наблюдения электрон переходит из состояния размазанной в пространстве волны в состояние локализованной в конкретном месте частицы. В копенгагенской интерпретации это называется «коллапс волновой функции».
Итак, учёные пришли к выводу, что невозможно установить, через какую щель проходит частица, то есть измерить её состояние, не разрушив интерференционной картины. В этом и заключается эффект наблюдателя: наблюдение явления неизбежно изменяет его.
Кто-то обязательно спросит: к чему столько подробностей? Фотон и электрон – субатомные частицы, которые даже в микроскоп не видно. Какое нам до них дело? А дело в том, что квантовые эффекты также распространяются на атомы и молекулы. А это уже вполне осязаемая материя, из которой состоим мы сами и всё, что нас окружает. Но для введения молекул в состояние суперпозиции нужен чистый вакуум, иначе они сразу же запутываются с молекулами воздуха. В 1996 г. Нобелевская премия по химии была присуждена за проведение двухщелевого эксперимента с молекулами фуллерена, состоящими из 70-ти атомов углерода. Оказалось, что даже такие громоздкие структуры могут проходить через две щели и интерферировать. А при наблюдении они ведут себя как классические объекты, выбирая только одну щель. В наши дни аналогичные результаты получают уже с тысячами атомов. В 2019 г. Маркусу Арндту из Венского университета удалось добиться дифракции молекул массой более 25000 а.е.м., каждая из которых состояла из 2000 атомов. Через две щели могут проходить органические молекулы, и, возможно, даже вирусы.
Значит, реальность всё-таки зависит от наблюдателя.
На этот вопрос современная наука даёт короткий и недвусмысленный ответ: нет, не зависит. В 2004 г. Антон Цайлингер усложнил двухщелевой эксперимент, измеряя частицы фуллерена косвенно, без непосредственного контакта – с помощью температурных датчиков, которые улавливали исходящее от разогретых молекул тепловое излучение. Чем выше была температура молекул, тем более классическое поведение они демонстрировали. «Холодные» молекулы создавали на экране интерференционную картину, а «горячие» — две полоски. Величина квантовых эффектов была обратно пропорциональна интенсивности взаимодействия объекта с окружающей средой, которая по сути играла роль детектора. Наличие или отсутствие наблюдателя не имело никакого значения. В принципе это понятно и в простом опыте Юнга, ведь с частицей взаимодействует не наблюдатель, а измерительный прибор. Но квантовые мистики то ли намеренно, то ли по незнанию умалчивают сей факт, предпочитая верить в силу мысли и способность наблюдателя влиять на исход эксперимента.
Для убедительности приведём цитаты основателей квантовой механики и некоторых современных физиков:
«Конечно, введение наблюдателя не должно быть истолковано неправильно как означающее, что в описание природы должны быть внесены некие субъективные черты. Наблюдатель имеет, скорее, только функцию регистрации решений, т. е. процессов в пространстве и времени, и не имеет значения, является ли наблюдатель аппаратом или человеком; но регистрация, т. е. переход от «возможного» к «действительному», здесь совершенно необходима и не может быть исключена из толкования квантовой теории» (Вернер Гейзенберг)
«Вся недвусмысленная информация об атомных объектах получается из постоянных следов, таких как пятно на фотопластинке, вызванное ударом электрона, оставленного на телах, которые определяют условия эксперимента. Далекие от какой-либо особой сложности, необратимые эффекты усиления, на которых основывается регистрация присутствия атомных объектов, скорее напоминают нам о существенной необратимости, присущей самой концепции наблюдения. Описание атомных явлений носит в этом отношении совершенно объективный характер в том смысле, что не делается явной ссылки на какого-либо отдельного наблюдателя и, следовательно, при надлежащем учете релятивистских требований в передаче информации отсутствует двусмысленность» (Нильс Бор)
«[«наблюдатели» в квантовой физике] подобны вездесущим «наблюдателям», посылающим и принимающим световые сигналы в специальной теории относительности. Очевидно, что эта терминология не подразумевает фактического присутствия людей. Эти вымышленные физики могут также быть неодушевленными автоматами, которые могут выполнять все необходимые задачи, если они соответствующим образом запрограммированы». (Ашер Перес) .
«Не понимаю, почему так называемая редукция волновой функции как-то связана с сознанием наблюдателя. Например, в известном дифракционном опыте электрон проходит через щели и затем на экране (фотопластинке) появляется «точка», т.е. становится известно, куда попал электрон… Разумеется точки на экране наблюдатель увидит и на следующий день после осуществления опыта, и при чем здесь какая-то особая роль его сознания, мне непонятно» (из предисловия В.Л. Гинзбурга к статье М.Б. Менского «Концепция сознания в контексте квантовой механики»)
Аналогичного мнения о квантово-мистическом толковании эффекта наблюдателя придерживается и Шон Кэрролл:
«Ничто из того, что известно нам о физике, не свидетельствует об истинности таких воззрений. Хотя квантовая механика и таинственна, это всё-таки — во всех предложенных формулировках — обычная физическая теория, подчиняющаяся объективным законам, которые выражаются в виде уравнений. В частности, даже в тех интерпретациях, где волновая функция действительно коллапсирует в случае наблюдения за системой, сам наблюдатель никак не влияет на конечный результат измерения. Результат просто подчиняется правилу — правилу Борна, описывающему квантовые вероятности, согласно которому вероятность каждого результата равна квадрату значения волновой функции. Ничего потустороннего, ничего личного, ничего сугубо человеческого. Просто физика» .
«Версия о том, что сознание играет какую-либо роль в понимании квантовой механики, в настоящее время утратила практически всю поддержку, которой некогда пользовалась. Сейчас мы понимаем квантовую механику гораздо лучше, чем её основатели; у нас есть очень конкретные и количественно выверенные теории, позволяющие достоверно объяснить, что именно происходит в процессе измерения; при этом совершенно нет необходимости апеллировать к сознанию» .
Вообще понятие наблюдателя вошло в обиход квантовой механики по ошибке, из-за того, что процесс регистрации частиц назвали «наблюдением» (observation). Если же заменить это слово «измерением» (measurement), ситуация сразу проясняется. Коллапс волновой функции происходит не от наблюдения за частицей, а от её взаимодействия с детектором, экраном или окружающей средой. Поэтому и важно, чтобы эксперимент с атомами и молекулами проводился в вакууме. Пока фотон, электрон, атом или молекула ни с чем не взаимодействуют, то есть являются изолированными системами, они находятся в состоянии суперпозиции, и им ничто не мешает проходить через две щели. Но как только частица провзаимодействовала с детектором или другим макроскопическим объектом, она переходит в смешанное состояние и ведёт себя как классический объект.
Здесь следует отметить, что «измерение» — это не обязательно физический контакт. В первую очередь оно предполагает обмен информацией. Вот что пишет об этом в своей статье Антон Цайлингер: «Опыт свидетельствует о том, что когерентная квантовая суперпозиция разрушается не из-за неконтролируемого возмущающего воздействия макроскопического прибора на микроскопический объект, как утверждается многими авторами, а благодаря информационному обмену между подсистемами». Например, когда детектор стоит только на одной щели, а частица проходит через другую, они физически не контактируют, но детектор всё же получает информацию о местоположении частицы, поэтому суперпозиция разрушается.
Особо продвинутые квантовые мистики приводят в качестве аргумента в пользу эффекта наблюдателя ещё один эксперимент – квантовый ластик, также известный как квантовое стирание. Есть много схем проведения этого опыта, но все они сводятся к тому, что вы можете стереть информацию о траектории частицы после её измерения детектором, и тогда дифракционная картина якобы восстанавливается. Действительно, что будет, если вы примете решение, наблюдать за частицей или нет, уже после того, как она оставит свой след на экране? Тут не обойтись без квантовой запутанности, которая и сама по себе является парадоксом. Мы рассмотрим самую сложную версию квантового ластика – двухщелевой эксперимент Уилера с отложенным выбором, осуществляющий квантовое стирание при помощи интерферометра Маха-Цендера. Это комбинация двух опытов: обычного квантового ластика и эксперимента Уилера с отложенным выбором. Двухщелевой эксперимент Уилера с отложенным выбором был впервые осуществлён в 1999 г. Юн-Хо Кимом и его коллегами по следующей схеме.
Источником света, как всегда, является лазер. Следом за экраном с двумя щелями ставится нелинейный кристалл, превращающий один фотон в два запутанных. Он направляет первый запутанный фотон к детектору D0 (фотопластинке), а второй – к призме (PS), рассеивающей луч на полупрозрачные зеркала (BS). Далее второй фотон либо отражается от этих зеркал и с 25-процентной вероятностью попадают на детекторы D3 или D4 (каждый из них принимает луч от своей щели), либо проходят сквозь, сталкиваются с ещё одним полупрозрачным зеркалом и с 12.5-процентной вероятностью направляются или к детектору D1, или к детектору D2. В конце опыта информация со всех детекторов приходит на счётчик совпадений. Суть эксперимента в том, что при попадании второго фотона на детекторы D3 или D4 мы узнаём, через какую щель он прошёл, а при попадании на детекторы D1 или D2 происходит квантовое стирание (неизвестно, от какой щели прилетел зарегистрированный фотон). В любом случае первый фотон достигает детектора D0 раньше, но что мы увидим на этом детекторе – две полоски или интерференционную картину – вроде бы зависит от того, как поведёт себя второй фотон в будущем.
По мнению сторонников квантового мистицизма, этот эксперимент доказывает не только влияние наблюдателя на поведение частиц, но и возможность нарушения причинно-следственных связей. Действительно, на первый взгляд событие в будущем (какой из четырёх детекторов выберет второй фотон) становится причиной события в прошлом (через какую из щелей прошёл исходный фотон). Или же регистрация второго фотона на одном из четырёх детекторов приводит к мгновенному стиранию и переписыванию изображения на фотопластинке D0, оставленного первым фотоном, что нарушает запрет на передачу информации быстрее скорости света. Так значит, учёные открыли ретропричинность и научились путешествовать во времени?
В действительности всё не так, как кажется. Дьявол, как обычно, кроется в деталях. Сначала первый фотон абсолютно случайно попадает в какую-то точку на детекторе D0. В этот момент происходит коллапс волновой функции или декогеренция (кому как больше нравится), то есть запутанность между фотонами разрушается. А дальше всё зависит от расположения точки. Если она ближе к максимуму дифракционной картины, значит, скорее всего, фотон прошёл через две щели. В связи с этим вероятности поведения второго фотона перераспределяются: теперь у него больше шансов попасть на детекторы D1 или D2. Если же точка оказалась ближе к минимуму, то, вероятно, исходный фотон прошёл через одну щель. Тогда второй фотон с большей вероятностью будет зарегистрирован детекторами D3 или D4. Вот и вся разгадка. Очень похоже, кстати, на байесовское уточнение вероятностей. Никаких нарушений причинности и никакого воздействия со стороны наблюдателя нет. Более того, если по совместить графики на детекторе D0, соответствующие срабатыванию детекторов D1 и D2, то окажется, что точки на них не совпадают. Интерференционная картина появляется на D0 только тогда, когда мы рассматриваем детекторы D1 и D2 по отдельности, а при совмещении они дадут классическое нормальное распределение. Что же произойдёт, если убрать счётчик совпадений? На детекторе D0 мы снова увидим усреднённую картину без интерференции, а вероятность попадания второй частицы на детекторы D1, D2, D3 и D4 будет составлять по 25%.
На этом физические аргументы квантовых мистиков заканчиваются, и они прибегают к философствованию. Одни ссылаются на многомировую интерпретацию квантовой механики, заявляя, что при квантовом измерении Вселенная расщепляется на две «ветви», а наблюдатель якобы может выбрать, в какой «ветви» оказаться. Другие цепляются за неопределённость момента, когда именно происходит коллапс волновой функции в копенгагенской интерпретации. И те, и другие допускают возможность пребывания макроскопических объектов вроде кота Шрёдингера в квантовой суперпозиции, что на практике невозможно. По их логике, Луна действительно не существует или каким-то образом «размазана» в пространстве, когда мы на неё не смотрим. Тогда и в описанных выше экспериментах измерение происходит не в момент взаимодействия частицы с детектором, а в момент взаимодействия наблюдателя с детектором или компьютером, который показывает, через какую щель прошла частица. Если же эксперимент проводится в отсутствие наблюдателя, все эти приборы находятся в квантовой суперпозиции разных состояний, пока наблюдатель на них не посмотрит. Но, поскольку в мире нет полностью изолированных систем, наблюдателю придётся признать, что вся Вселенная, включая других людей, находится в квантовой суперпозиции, пока он спит. Против такого подхода физика уже бессильна – это будет чистый солипсизм, или философия, согласно которой весь мир существует лишь в сознании наблюдателя. О солипсизме у меня будет отдельная статья, а пока достаточно сказать, что для его защиты не подойдут ни квантово-механические, ни вообще какие-либо рациональные аргументы.
Из всего вышеизложенного можно сделать простой вывод. Эффект наблюдателя, каким его преподносят квантовые мистики – чистой воды профанация, проистекающая из недопонимания основополагающих законов квантовой механики. Времена, когда учёные всерьёз рассматривали возможность влияния наблюдателя на ход эксперимента, давно прошли. Сейчас упоминания о таком эффекте уже не найти ни в одной научной статье, разве что в историческом контексте. Также в научных кругах не принято говорить о коте Шрёдингера, парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена, голографической Вселенной и т.д. Что не так с этими идеями, мы рассмотрим в следующих статьях. Также я покажу, что на самом деле не сознание влияет на поведение квантовых частиц, а наоборот, отдельные частицы при определённых условиях могут определять состояние сознания.
P.S. Больше о квантовом мистицизме и о порождённых им мифах вы можете узнать на моём YouTube-канале «Универсальный объяснитель»:
