Знание – сила, 2001 №8 (890)

Коллектив авторов

Кошка Шредингера (или кот, если угодно) – совершенно, абсолютно, предельно несчастное животное, куда более несчастное, чем Ромео и Джульетта. Те были сначала живы, а потом мертвы, увы, а эта-этот кошка-кот (Ромео и Джульетта в одном лице) каждое мгновение «размазан» – по жизни и смерти одновременно. И все потому, что мы сделали его состояние напрямую зависимым от состояния микрочастицы.

Я сниму тяжесть с вашей души. Успокойтесь. Никогда никакое животное не окажется размазанным между жизнью и смертью. Парадоксальная ситуация со шредингеровской кошкой возникла, на самом деле, только потому, что мы молчаливо допустили, будто состояние микрочастицы можно перенести на состояние макрообъекта абсолютно без всяких искажений. А это не так. Ведь, скажем, фотоэлемент тоже состоит из атомов. И они находятся в непрерывном тепловом движении.

Равно как и атомы обоих яшичков. И атомы бутылочки с газом (не говоря уже о кошке). Так вот, на самом деле воздействие этого хаотического движения полностью «сотрет» молчаливо постулированную нами четкую связь состояния атома и состояния кошки. Чтобы устранить это воздействие, нужно полностью исключить тепловой обмен, а это невозможно.

Вы успокоились? Вот и прекрасно. А Шредингер давно уже забыл и о вас, и о кошке – вон он там, далеко, уходит с дамой своего легкомысленного сердца, весело помахивая тросточкой и что-то ей на ходу объясняя – уж наверняка не свое уравнение.

Вот, однако, интересный вопрос, пока вы тут, а он там: а нельзя ли поближе приглядеться, как именно происходит такое «стирание» взаимосвязи между микро- и макромиром? Что конкретно спасает кошку?

Для этого нужно придумать эксперимент, в котором роль кошки играл бы какой-то иной объект – тоже макроскопический, но поддающийся физическому исследованию без угрозы быть поцарапанным. Если вы думаете, что это досужие забавы (я имею в виду не царапины – какие уж тут забавы! – а эксперимент), вы глубоко ошибаетесь: не так давно в самом престижном сегодня физическом журнале «Physical Review Letters А» группа физиков из Лондонского Королевского колледжа под руководством С. Бозе опубликовала целую статью именно о таком эксперименте. Вместо радиоактивного атома они предложили использовать квант света, замкнутый внутри некоей полости с отражающими стенками, а вместо кошки – подвешенное на тончайшей нити легчайшее и крохотнейшее зеркало. Квант света – тоже микрочастица, поэтому он может быть переведен в состояние, являющееся смесью двух простых состоянии (это уже осуществили несколько лет назад Давид Причард и его коллеги из Массачусетсского технологического института в США), и остается посмотреть, каким образом это его пребывание в «смеси состояний» будет влиять на состояние зеркальца. Разумеется, для того чтобы ощутить такое влияние, зеркальце должно быть достаточно чувствительным, то ссть либо очень мало, либо почти невесомо. Существующие сегодня зеркальца этим требованиям не удовлетворяют. Как им удовлетворить, авторы статьи еще не придумали. Эксперимент они уже придумали, а над зеркальцем думают. Ну, пусть думают. К тому времени как придумают, авось и Шредингер возвратится. Чай, ему интересно все-таки, что будет с его кошкой. (Все-таки с кошкой, я думаю…)

Если вас тоже интересует дальнейшая судьба несчастного животного, я позволю себе рекомендовать вам статью Филиппа Яма «Воскрешение шредингеровской кошки» из журнала «Сайентифик америкэн». О задумке С. Бозе вы там, правда, еще ничего не найдете, это самое последнее слово в истории знаменитой кошки, но зато узнаете, что кроме принципиального значения эта история имеет еще и немаловажное прикладное. Ведь если перевернуть наш эксперимент, то кошку в ящике можно рассматривать как своего рода измерительный прибор, «показания» которого (жизнь или смерть) позволяют узнать, в каком из двух возможных состояний «в действительности» находится квантовая часгица (в данном случае – радиоактивный атом). И тогда – через кошку – открывается путь к детальному исследованию того, каким именно образом процесс измерения разрушает сложное состояние квантовой частицы («наложение состояний») и превращает его в простое (атом распался или не распался). Заменяя измученное животное разного рода реальными измерительными приборами все меньшего и меньшего размера, несколько групп физиков уже продвинулись в понимании этого процесса, создали ряд теорий различной степени сложности, предлагающих то или иное объяснение всех нюансов этого процесса, и попутно показали (вот оно, прикладное значение!), какие ограничения имеются на пути создания вожделенных, но пока еще не реализованных «квантовых компьютеров», которые могли бы использовать способность квантовых частиц переходить из одного состояния в другое и наоборот. Как показали все эти опыты со «шредингеровскими кошками», весьма серьезные ограничении.

Вот так. А вы, небось, думали, что кошка может только мурлыкать.

Одним

из глобальных научных событий прошедшего столетия, порожденных квантовой механикой, физики считают создание лазера. В сферу его многочисленных применений сегодня входят и тончайшие исследовании поверхностей, приносящие информацию о взаимодействии молекул и атомов и их внутреннем устройстве

Путь к квантовому компьютеру выстлан золотом

Сотрудники Института экспериментальной физики при Инсбрукском университете – руководил ими Йорг Шмидмайер – разработали интегральную микросхему, в которой движутся не электроны, а атомы. Под действием магнитного поля они перемещаются вдоль узких бороздок, играющих роль токопроводящих дорожек. По мнению ученых, подобная микросхема может стать основным элементом квантовых компьютеров.

«Атомарный чип» состоял из пластины размером 2x2 сантиметра и толщиной 600 микрометров. На эту пластину, изготовленную из арсенида галлия, нанесли слой золота толщиной 2,5 микрометра. В золоте вытравили «канавку» шириной 10 микрометров; она служила проводником для атомов. На поверхность золота направили луч холодных атомов лития. Чтобы атомы подольше находились близ поверхности микросхемы, пришлось приложить определенные усилия. Сперва частицы заперли с помощью магнитооптической ловушки – ее стены «возвели» из лазерных лучей и магнитных полей.

Искусно комбинируя магнитные поля, ученые настолько уменьшили расстояния между атомами лития и поверхностью чипа, что в конце концов атомы проникли в бороздки на поверхности золота. Там их удерживали с помощью магнитного поля. Затем атомы отклоняли в различных направлениях вдоль токопроводящей дорожки; так образовался контур из атомов лития.

Новая микросхема может стать еще одним шагом на пути к созданию квантового компьютера. Впрочем, еще предстоит решить, как интегрировать в микросхему катушку для магнитных полей, источник света для лазерных лучей, а также надежный источник холодных атомов, например, конденсат Эйнштейна-Бозе.

Подобная игра стоит свеч. Квантовый компьютер будет работать намного быстрее классического.

Зримый след черной дыры

Еще в 1975 году Стивен Хокинг, опираясь на законы квантовой механики, предсказал, что черная дыра все же должна излучать свет, пусть и очень слабый. Недавно американские физики Мол и к Парик и Фрэнк Вильчек из Institute for Advanced Study в Принстоне, также прибегнув к этой теории, детально описали процессы, которые приводят к появлению элементарных частиц на границе черной дыры.

Известно, что, по принципу неопределенности Гейзенберга, из Ничего, то бишь из вакуума, могут одновременно возникать пары частиц и античастиц или пары фотонов. Едва появившись, они бесследно исчезают. Если подобная пара образуется близ границы черной дыры, то одна из этих частиц (или один из фотонов) может пересечь границу черной дыры. Это случайное движение приведет к непоправимому. Теперь пара частиц будет навеки разделена. Одна из них останется внутри черной дыры, то есть будет недоступна для наблюдателя, а другая станет частью излучения Хокинга; ее можно будет наблюдать.

Это событие приводит к тому, ЧТО энергия черной дыры, как и ее масса, слегка уменьшается, – ведь улетевшая частица уносит какую-то долю энергии. Черная дыра постепенно сжимается. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, к примеру, черную дыру, чья масса всего в три раза превышает вес нашего Солнца. Пройдет целых 1067 лет. прежде чем она потеряет всю свою массу. Что означает сей промежуток времени? Он примерно в 1057 раз превышает теперешний возраст Вселенной.

Метаморфозы происходят и с частицами, улетевшими прочь. Преодолевая силу притяжения черной дыры, они резко замедляют свой бег и теряют почти всю энергию. Это приводит к тому, что коротковолновое излучение становится длинноволновым и, кроме того, остывает. Длина волны достигает диаметра самой черной дыры.

Расчеты Хокинга показали, что световое излучение черной дыры схоже с излучением абсолютно черного тела Планка. Никакие другие характеристики излучения – кроме температуры – не позволяют судить о самом объекте, излучающем свет.