[Перевод] Спросите Итана №46: Что такое квантовое наблюдение

Можно увидеть многое, просто наблюдая
— Йоги Бера

Читатель спрашивает:

А что такое «наблюдение»? У меня есть два примера, которые я тем меньше понимаю, чем больше о них думаю: эксперимент Юнга и теорема Белла. Чем больше я о них думаю, тем меньше я понимаю, что на самом деле означает «наблюдение».

Давайте начнём с рассмотрения этих двух классических примеров странности квантового мира.

Сначала возьмём эксперимент Юнга. Давно известно, что частицы ведут себя не так, как волны. Если вы возьмёте экран с двумя щелями и будете кидать туда камушки, или пульки, или другие макроскопические предметы, большинство камушков будет задержано экраном. Несколько пролетят через щели. Можно ожидать, и по сути, так и происходит, что несколько камушков пролетят через левую щель, и несколько – через правую.

И у вас будут две кучки камушков, составляющих кривую в виде колокола (нормальное распределение), по одной для каждой щели. И это происходит вне зависимости от того, смотрите вы на камушки в момент броска, или нет. Побросали камушки, получили такую картинку. Всё.

А что, если у вас есть бассейн с водой, и вы с одной его стороны создаёте волны? Вы можете разместить экран с двумя щелями, чтобы волны могли проходить только через щели. В результате у вас появится два источника волн.

В результате вы получите картину интерференции, где есть пики и провалы, а также промежутки, где будет просто средняя высота воды без волн. Это называется интерференцией – иногда пики и провалы складываются и усиливают друг друга, иногда пик складывается с провалом и взаимно компенсируются.

Эксперимент Юнга был серией экспериментов, проводимых с 1799 по 1801 года. Через две щели светили светом, чтобы понять, будет он вести себя, как частицы, или как волны. Теперь этот стандартный эксперимент студенты повторяют в лабораториях. В результате получается такая картина:

Очевидно, тут происходит интерференция. Открытый в начале 1900-х фотоэлектрический эффект, согласующийся с идеей квантификации света на фотоны с разными энергиями, вроде бы говорил о том, что свет состоит из частиц, а не из волн – и всё равно он создавал такую интерференционную картину, проходя через две щели.

Дальше ещё страньше. В 1920-х физики решили провести тот же эксперимент, только с электронами вместо фотонов. Что случится, если направить поток электронов (например, от радиоактивного источника, испытывающего бета-распад) на две щели с экраном позади них? Какую картину мы увидим?

Как ни странно, источник электронов также даёт интерференционную картину!

«Погодите-ка»,- сказали все. «Каким-то образом электроны интерферируют с другими электронами от источника распада. Давайте-ка будем пускать их поодиночке и посмотрим, что получится на экране».

Поэтому они так и сделали, и начали смотреть, какая картинка будет вырисовываться после каждого электрона. Вот, что они увидели.

Получилось, что каждый электрон интерферировал сам с собой, проходя через щели! Чот и привело физиков к вопросу о том, как это происходит – раз электроны являются частицами, они могут проходить только через одну из щелей, словно камушки или пульки.

Так как же? Они сделали «ворота» (в которые можно светить фотонами, чтобы те взаимодействовали с тем, что проходит через щель), чтобы определить, через какую щель проходит каждый конкретный электрон. В результате, конечно, получилось, что электрон проходил через одну из двух щелей. Но затем, посмотрев на получающуюся картинку, они обнаружили, что она превратилась в картину, нарисованную частицами, а не волнами. Иначе говоря, электрон будто бы знал, наблюдаете вы за ним или нет!

Или, как говорят физики, акт наблюдения изменяет результат эксперимента. Это может показаться странным, но именно это и происходит во всех квантовых системах, организованных таким образом: всё работает так, как будто оно находится в волновой суперпозиции всех возможных результатов, но как только вы делаете ключевое «наблюдение», оно заставляет систему выдать вам один реальный ответ.

Другой пример, о котором говорит наш читатель, это квантовая запутанность.

Многие частицы можно создать так, что они будут находиться в запутанном состоянии: когда вы будете знать, например, что у одной должен быть положительный спин, а у другой – отрицательный (например, ±½ для электронов, ±1 для фотонов, и т.п.), но не знаете, у какой из них какой спин. Пока вы не совершите измерение, вам придётся обращаться с ними так, будто каждая частица находится в суперпозиции позитивного и негативного состояния. Но когда вы «наблюдаете» свойства одной из них, вы сразу же узнаёте о соответствующем свойстве другой.

Это странно – как и в случае с электронами, проходящими через щель, частицы ведут себя по разному, в зависимости от того, находятся они в суперпозиции состояний, или же их заставили принять одно из «чистых» состояний. В теории можно запутать две частицы, передвинуть одну из них на расстояние светового года, пронаблюдать первую, узнать её спин, и сразу же узнать спин другой. Вам не надо будет ждать год, чтобы сигнал пришёл к вам со скоростью света.

Если вам кажется, что это странно, то так оно и есть. Сам Эйнштейн был обескуражен этим, и решение этого, сделанное Беллом, состоит в том, что квантовая запутанность – это нелокальный феномен.

Если вы наблюдаете две частицы, а затем разводите их на большую дистанцию, то получаете (а). Если вы запутываете их, а затем разводите, они обе не определены, пока вы не одну из них не наблюдали (b). Но, пронаблюдав одну из них, вы тут же узнаёте состояние другой (с).

При этом тот, кто находится рядом с частицей, отодвинутой на световой год, не сможет заметить в ней никаких изменений, когда вы измерите свою. Только после того, как вы сведёте ваши частицы вместе (или передадите информацию о них, что ограничивается скоростью света), вы сможете пронаблюдать состояния обеих частиц.

Теперь можно ответит на вопрос читателя: что есть наблюдение?

Несмотря на то, что вы могли подумать, прочтя эти строки, наблюдение не имеет ничего общего с вами, с наблюдателем. Все разговоры про измерения и наблюдения прячут правду – чтобы произвести эти измерения, вам надо сделать так, чтобы квантовая частица провзаимодействовала с той, которую мы пытаемся наблюдать. И если нам нужно провести эти измерения, нам нужно, чтобы это взаимодействие прошло с определённым уровнем энергии.

Это не имеет ничего общего с вами или с «актом наблюдения», а зависит от того, провзаимодействуете ли вы с достаточной энергией для того, чтобы «сделать наблюдение», или, иначе говоря, удастся ли вам перевести частицу в одно из квантовых состояний.

Для электрона, проходящего сквозь щель, это означает взаимодействие с фотоном, который ограничит его позицию достаточно для того, чтобы он явно прошёл через одну из щелей. Для фотона со спином +1 или -1 это означает проведение измерения чувствительного к его поляризации, что означает взаимодействие, чувствительное к типу электромагнитного поля, создаваемого фотона.

Поэтому, наблюдение – это квантовое взаимодействие, достаточное для определения квантового состояния системы.