Квантовые парадоксы

КВАНТОВЫЕ ПАРАДОКСЫ, необычное поведение квантовых объектов, противоречащее привычным представлениям, основанным на так называемом здравом смысле. Парадоксы появляются в физических экспериментах и могут играть положительную роль в развитии физической теории. Наиболее известные парадоксы: Эйнштейна - Подольского - Розена парадокс и парадокс шрёдингеровского кота. Парадоксы часто возникали на раннем этапе развития квантовой теории.

Неделимая квантовая частица может пройти только через одну из двух щелей непрозрачного экрана (рис. 1), однако при многократном её пропускании почернение чувствительной фотопластинки имеет характерные интерференционные минимумы и максимумы. Это означает, что, проходя через одну из щелей, частица как-то «узнаёт» о существовании второй щели. В основе объяснения этого противоречия лежит один из главных принципов квантовой механики - корпускулярно-волновой дуализм, в соответствии с которым микрообъектам одновременно присущи корпускулярные и волновые свойства. Как волна частица может испытывать интерференцию, а как частица она должна бы проходить только через одну щель.

Квантовые парадоксы могут быть также связаны с квантовой нелокальностью, которая ярко проявляется при наблюдении за поведением коррелированных частиц. Рассмотрим, например, электрон-позитронную пару. Её рождение из вакуума может происходить под действием интенсивных световых импульсов в сильном магнитном поле. Суммарный момент количества движения частиц (спин) - нулевой, однако у каждой из частиц он случаен (+ 1/2 либо - 1/2), причём до момента измерения спина определённого его значения априорно не существует. Значение измеряемой величины появляется лишь в момент её регистрации при взаимодействии с измерителем. При этом вторая частица мгновенно получает определённое значение спина противоположного знака, на каком бы большом расстоянии ни находились разлетевшиеся частицы пары. При таком необычном поведении нарушаются так называемые неравенства Белла, что надёжно подтверждено экспериментально. Неравенства Белла - числовые неравенства, связывающие статистические характеристики измеряемых величин, которые рассчитываются на основе локальной вероятностной теории, содержащей скрытые параметры. Если скрытые параметры существуют, то неравенства выполняются. Нарушение неравенств означает нелокальность эффекта.

Попытки применить квантовый принцип суперпозиции состояний к классическим объектам приводят к парадоксам типа шрёдингеровского кота. Парадокс с котом, сформулированный Э. Шрёдингером, заключается в следующем. В непрозрачном ящике находятся кот и колба с ядовитым газом, и есть устройство, которое может опустить молоток и разбить колбу, тогда кот погибнет. Работа устройства (действие молотка) запускается в результате радиоактивного распада ядра. В начальном состоянии все ядра целы и кот жив. Какое состояние кота будет через время большее, чем период полураспада ядра? Существуют две возможности. Если молоток не упал и колба не разбита, то кот жив. Противоположный случай - молоток разбил колбу и кот мёртв. Парадокс состоит в том, что кот (макроскопический объект) с квантовой точки зрения может одновременно быть и живым, и мёртвым (его состояние мы узнаем только после открытия ящика). Однако для макроскопического объекта это необычное суперпозиционное состояние. Суперпозицией являются состояния «неразбитая колба, живой кот» и «разбитая колба, мёртвый кот».

В теории квантовых измерений возникает так называемый квантовый парадокс Зенона. Эффект получил название по аналогии с известной апорией Зенона Элейского, согласно которому испущенная из лука стрела не может достичь цели, поскольку в каждый момент времени она занимает часть пространства, равную её размеру, т. е. покоится. Квантовый парадокс Зенона формулируется так: повторяющиеся (в пределе - непрерывные) измерения квантовой системы препятствуют её переходу в другое состояние. Двухуровневый атом в поле резонансного излучения периодически совершает переходы с нижнего уровня на верхний и обратно (рис. 2,а). Однако если за состоянием атома установить наблюдение, то, несмотря на наличие резонансного излучения, переходы замедляются и даже полностью прекращаются. Система «замораживается» на уровне 1 при наличии возможности её моментального перехода (измерения) с уровня 2 на уровень 3 (рис. 2,б). Это пример реализации парадокса Зенона при непрерывном измерении - слежении за испусканием спонтанных фотонов на частоте ω₂₃. Хотя самого слежения фактически может и не быть. Важно, что имеется потенциальная возможность такого слежения. Мы имеем возможность двух последовательных переходов: 1→2→3. Казалось бы, чем «легче» переход 2→3, тем лучше для всего каскада двух процессов. Но   это  не   так:   переход   2→3 тормозит переход 1→2, то есть переходы не являются независимыми. Парадоксальность ситуации состоит в том, что возможность наблюдения за системой кардинально меняет её поведение, а в последовательном каскаде двух, казалось бы, независимых процессов второй по времени может радикально влиять на первый.

Лит.: Кадомцев Б. Б. Динамика и информация. М., 1999; Белинский А. В. Квантовая нелокальность и отсутствие априорных значений измеряемых величин в экспериментах с фотонами // Успехи физических наук. 2003. Т. 173. № 8; он же. Квантовые измерения. М., 2008; Шляйх В. П. Квантовая оптика в фазовом пространстве. М., 2005.