Хочу заспокоїти всіх шанувальників кошачих: у цьому експерименті жоден кіт або кішка не постраждали.
Ігор Доценко
Перше повідомлення про цю подію з’явилося в найкращому науковому журналі світу Nature. Потім про неї написали західні газети, здавалося б, далекі від фізики, а тим більше такої загадкової її галузі як квантова механіка. Наприклад, «Франкфуртер альгемайне цайтунг» присвятила їй цілу шпальту.
Для наших ЗМІ, які часто скептично пишуть про досягнення українських учених, таке ставлення європейців до фундаментальних досліджень дуже показове. Воно демонструє важливу річ — західне суспільство усвідомлює, що кардинальні проблеми людства можуть бути вирішені лише з допомогою науки. Тому не дивно, що, наприклад, усі європейські країни (окрім України, яка навіть не вступила в ЦЕРН!) так одностайно виділяють кошти на подальший розвиток гігантського колайдера під Женевою. Вони розуміють: із цими дослідженнями пов’язана доля їхніх дітей та внуків. Природно, тому й непроста історія з котом Шредінгера зацікавила західних читачів.
Редакція відділу науки «Дзеркала тижня» звернулася до Ігоря ДОЦЕНКА, випускника фізичного факультету Київського національного університету, одного з авторів статті в Nature, і директора Інституту фізики НАН України, членкора НАНУ Леоніда ЯЦЕНКА (він недавно побував із доповіддю в Парижі на науковій конференції) з проханням розповісти про роботу, що викликала такий великий інтерес на Заході.
Страсті на межі між двома світами
На початку минулого століття великі творці нової фізики — Бор, Шредінгер, Гейзенберг, Дірак — для пояснення багатьох фактів, які цілковито суперечили класичній фізиці, розвинули так звану квантову механіку. Для неї характерні абсолютно не сумісні зі звичним здоровим глуздом поняття хвильової функції, співвідношення невизначеностей, квантування енергії та інші загадкові речі.
Справді, ну як змиритися з тим, що частки у мікросвіті мають здатність тунелювати, тобто, фактично, проникати крізь стіни. До того ж вони мають властивості дволикого Януса — можуть бути одночасно і часткою, і хвилею. Але найдивовижніше — вони здатні перебувати одночасно у двох різних місцях, і сторонній спостерігач не може точно визначити, де вони перебувають на цей момент.
Містика! Такого не може бути за визначенням!.. Однак не кваптеся з висновками: за більш як три чверті століття свого існування квантова теорія не лише дала можливість пояснити чимало явищ, а й дозволила передбачити безліч нових, раніше не відомих властивостей поля і матерії. Вони лягли в основу створення сучасної електроніки. Підносячи до вуха мобілку, ми найчастіше й гадки не маємо, що в ній працюють ці ж таки квантові закони. Вони всюдисущі в комп’ютері, керуючих пристроях вашого автомобіля, літака, часто навіть у дитячих іграшках. Тому сьогодні правильність квантової теорії практично ні в кого із фізиків не викликає сумнівів.
Приймаючи квантову механіку, ми, звісно ж, зобов’язані погодитися і з тими її наслідками, котрі суперечать нашій буденній свідомості. Одним із них — можливо, найскладнішим для сприйняття — є фундаментальне для квантової механіки поняття квантової суперпозиції, коли один об’єкт або система має одночасно кілька взаємовиключних властивостей...
Це все було настільки неприйнятно з погляду здорового глузду, що навіть великий Альберт Ейнштейн (до речі, один із творців квантової фізики) аж ніяк не міг змиритися із законами мікросвіту. Кажуть, що неприйняття деяких положень квантової механіки й водночас підтвердження їх реальності подальшим розвитком фізики не давало йому спокою навіть перед смертю...
Творців квантової механіки не могла не тривожити неприродність ситуації, коли їхню науку не те що зрозуміти, а й уявити неможливо. Оскільки ж фізики-теоретики найчастіше не цуралися тонкого гумору, вони для пояснення своїх парадоксів почали вводити парадоксальних персонажів. З їхньою допомогою вони спробували полегшити муки нерозуміння для неофітів. Так, щоб якось допомогти розібратися в тому, як поводяться мешканці мікросвіту, з’явився кіт Шредінгера.
Із допомогою парадоксального уявного досліду німецький теоретик хотів звернути увагу колег на неповноту квантової механіки й необхідність чіткіше уявити собі, що відбувається, коли квантова система перестає існувати як певне змішання двох станів і вибирає один конкретний. Тобто описати процес, коли система переходить із мікростану в макро.
Кіт мав допомогти прояснити таке питання: якщо квантова теорія правильна й на мікроскопічному рівні існування квантової суперпозиції станів доведене, то чому ж ми не спостерігаємо її в нашому макроскопічному світі?
Мертво-живі коти у світі дволиких атомів
Авторам, які публікуються в журналі Nature, зразу ж пропонують написати популярну статтю для ЗМІ, адже відомо, що до авторитетних публікацій у цьому виданні західна преса виявляє винятковий інтерес. Ось як Ігор Доценко в такому прес-релізі описав уявний експеримент із котом Шредінгера.
«Вперше це питання поставив ще 1935 року один із засновників квантової механіки фізик Ервін Шредінгер. У гучному уявному експерименті він уявив умовну ситуацію, коли в закриту коробку поміщено один радіоактивний атом, ампулу з отрутою, певний механізм, який розбиває цю ампулу, щойно атом розпадеться й випроменить радіацію, і... звичайний кіт. Причому радіоактивний атом підібрано такий, що час його піврозпаду становить, скажімо, одну годину. Це означає, що якби в нас було багато таких атомів, то через годину половина їх випроменила б радіацію, а інша половина залишилася б у вихідному стані.
Якщо ж у коробці з кішкою буде тільки один атом, то, відповідно до законів квантової механіки, через годину він одночасно перебуватиме з однаковою ймовірністю у своєму початковому стані — до розпаду, і в кінцевому стані — розпаду. Оскільки смертельний механізм у коробці спрацьовує зі стовідсотковою ймовірністю при випромінюванні атомом радіації, то й кіт перебуватиме в дуже дивному стані — мертвий-і-живий одночасно. Такий стан кота суперечить усім нашим уявленням про навколишній світ із його не квантовими кішками та котами. Цей парадокс отримав назву кота Шредінгера і став знаменитим не лише у вченому світі, а й серед широкої публіки. У США, наприклад, ознайомлення з ним входить навіть у шкільну програму, де фізику не дуже шанують».
Однак три чверті століття суперечок навколо кота Шредінгера у фізиці залишили багато темних плям у його біографії. Найтяжче було в тому, щоб усе ж таки з’ясувати, як він поводиться, переходячи з мікроскопічного світу в наш, макроскопічний. Одна з теорій приписує відповідальність за відсутність квантових властивостей у макроскопічних об’єктів так званому явищу декогерентності, яке відбувається завдяки неминучому витіканню інформації про досліджувану систему в середовище, яке її оточує. Якщо ми, наприклад, безперервно підглядатимемо за котом у коробці, то завжди з цілковитою впевненістю знатимемо, живий він чи ні, і, таким чином, буде усунуто будь-яку невизначеність, нав’язувану нам квантовим світом. Більше того, виявляється, що нам не конче особисто спостерігати за об’єктом, адже середовище, яке його оточує, чудово впорається з цим і без нас. Так, електромагнітне випромінювання досліджуваного об’єкта, його гравітаційне поле, навіть просто взаємодія з молекулами повітря безперервно «організовують» витікання інформації про його поточний стан, не залишаючи нам жодного шансу спостерігати речі, котрі нас оточують, у квантових станах.
З казки в науку й назад…
Справедливості ради, слід зазначити, що вперше котів для пояснення всіляких наукових казусів використав відомий англійський математик, автор «Аліси у країні чудес» Льюїс Керролл. Це він придумав Чеширського кота, який умів зникати так, що від нього залишалася лише усмішка. Навряд чи знав великий вигадник, що цим котом він окреслив контури квантової механіки, про яку на той час ще й гадки ніхто не мав, оскільки її буде створено аж за півстоліття.
Однак добрий початок — половина справи: відтоді коти почали гуляти сторінками наукових книжок, допомагаючи вченим розібратися в тому, в чому вони ще не розібралися остаточно. Чи треба казати, що котам невимовно зраділи наукові фантасти.
Фантастика й наука — сполучені посудини. Так, у романі Лук’яненка «Остання варта» на шию головному героєві накинутий зашморг під символічною назвою «кіт Шредінгера». Ця загадкова тварюка бурхливо реагує на надприродні здібності, і їй вдається вгамовувати конвойованого мага.
Роберт Хайнлайн у книжці «Кіт, який проходить крізь стіни» виводить кота Пікселя й не ніяковіючи називає його котом Шредінгера. Чи треба після цього дивуватися, що він легко проходить крізь стіни?
Щоб оцінити принаду такої фантастики, треба бути принаймні p.h.d. із сучасної фізики. Інакше хто зрозуміє роман Фредеріка Поля, в сюжеті якого використана ідея взаємодії сусідніх Всесвітів, побудована на... колапсі хвильової функції.
Американські автори телевізійних серіалів сміливо вводять кота Шредінгера в ролі героя навіть у масові бойовики. Певно, вони вважають, що розповіді про нього у шкільній програмі досить, аби можна було розібратися в тонкощах квантової фізики. Наприклад, в одній із серій телевізійної епопеї «Місце злочину: Лас-Вегас» нишпорки знаходять могилу... кота Шредінгера поруч із трупами пристарілих господарів.
Кіт продовжує крокувати сторінками романів, кіносеріалів, а останнім часом — і шпальтами газет. Сьогодні на озброєння його взяли політичні журналісти. Таким своєрідним котом вони називають Кім Чен Іра, про якого невідомо, живий він чи ні. Найвідоміших і найбільш засекречених терористів тепер нерідко називають «терористами Шредінгера», адже, як правило, ніхто не може поручитися, живі вони на цей час чи ні. Мабуть, найбільше ця метафора пасує Усамі бін Ладену.
Коти допоможуть… кібернетикам
— В Ігоря чудова база для занять фундаментальною наукою, — розповів Леонід Яценко. — Він зробив прекрасну дисертацію з маніпулювання одиночними атомами в університеті Бонна. Після закінчення аспірантури й захисту перейшов працювати в дуже хорошу лабораторію Ecole Normale Superieur у Франції. Цю школу заснував ще Наполеон. Вона знаменита — тут працювали вісім лауреатів Нобелівської премії! Ця фізична лабораторія вважається однією з найпередовіших у світі.
Група фізиків у Франції, до якої потрапив Ігор, займається фундаментальними дослідженнями. Фактично, тут перевіряють найбільш заплутані положення квантової механіки. Задумали вони й цей експеримент із перевірки кота Шредінгера.
Якщо чесно, вважає Леонід Яценко, суто зовні установка французьких фізиків, задумана ще в 90-х роках, не особливо вражає. Однак вона дозволяє перевіряти тонкі положення квантової теорії. Ще до приїзду Ігоря у Франції провели експеримент, який наочно показав, як... фотон живе в резонаторі. Установка дозволяє спостерігати за мандрами одного фотона в камері і навіть реєструвати в деталях момент його смерті, коли він поглинається надпровідним дзеркалом.
Щоб експериментально відтворити кота Шредінгера і простежити за його поведінкою, потрібно виконати дві умови: вибрати підходящий об’єкт із класичними властивостями й ідеально ізолювати його від навколишнього світу. Дослідницькій групі в Парижі, до складу якої входив Ігор Доценко, недавно вдалося замкнути світло у фотонній коробці, що являє собою мікрохвильовий резонатор із двох дзеркал із дуже високим коефіцієнтом відбивання, між якими, багатократно відбиваючись, може бути утримане світло. Посилаючи через світлове поле атом у певному квантовому стані, вчені змогли приготувати світло в стані кота Шредінгера, що становить у даному разі суперпозицію двох класичних полів із різними фазами (аналогічних двом різним станам кішки: «жива» і «мертва»).
Для візуалізації стану світла було використано так звану функцію Вігнера, що є одним із основних понять квантової механіки. Для поля в резонаторі вона становить собою щось схоже на тривимірну географічну карту місцевості з вершинами, рівнинами та западинами. Для класичних полів, одним із прикладів яких є лазерне випромінювання, на карті є тільки одна вершина в точці, що відповідає найімовірнішим значенням амплітуди та фаз поля.
Для квантових полів карта стану менш тривіальна — поряд із вершинами на ній з’являються ділянки піків та западина, що швидко чергуються. У випадку зі світловим котом Шредінгера, приготовленим у паризькому експерименті, на карті виявлено дві вершини, що вказують на дві класичні складові цього стану, котрі різняться фазами. Окрім того, між ними було виявлено ділянку із квантовими осциляціями, що доводить наявність стану «живий-і-мертвий» досліджуваного світлового поля.
Як і очікувалося, спостереження за еволюцією цього квантового стану свідчить: осциляції з часом швидко згасають, і на карті залишаються лише дві класичні вершини. Таким чином, від квантового стану «живий-і-мертвий» система перейшла у класичний стан «живий-або-мертвий». Ця метаморфоза відбувається за час, протягом якого втрачається хоча б один фотон світлового поля з фотонної коробки. Звісно ж, чим більший розмір нашого «кота», тим менший час втрати хоча б одного фотона. А якби нам довелося мати справу зі справжнім котом, цей час сміливо можна було б вважати рівним нулю.
Отримані результати були продемонстровані не лише в першому повному «фотографічному» зображенні Шредінгерового кота у фотонній коробці, а й у знятому фільмі про його плавну еволюцію від квантової суперпозиції до класичної суміші двох станів.
Окрім спроб відповісти на фундаментальні питання, проведені дослідження можуть допомогти вирішити й низку прикладних проблем. У відносно молодій галузі науки, відомій як теорія квантової інформації, вчені розглядають можливість використання квантових бітів, або кубітів, для виконання ряду складних обчислювальних задач. На відміну від звичайних комп’ютерних бітів із двома можливими значеннями «0» і «1», кубіти можуть також перебувати в суперпозиції цих двох станів.
Зараз триває пошук ефективних механізмів квантового зворотного зв’язку, які дозволять підтримувати в реальному часі некласичні властивості матерії, вкрай необхідні для операцій із квантовою інформацією.