Как ведут себя частицы (и люди), когда на них не смотрят
Если мы знаем, что кто-то наблюдает за нами, то ведем себя совсем не так, как когда находимся одни. Этот эффект известен психологам и подкреплен экспериментами — но, оказывается, похожее происходит и в мире квантов. О том, как работает эффект наблюдателя, рассказывает физик-теоретик Сабрина Патш, а мы делимся переводом ее статьи.
Эффект наблюдателя в психологии
Психологи давно отмечают особенность человеческой психики: люди ведут себя по-другому, когда знают, что за ними наблюдают. Эта закономерность называется эффектом Хоторна, поскольку была впервые изучена в 1920–1930-х годах американскими учеными на заводе в Хоторне.
Когда кто-то на нас смотрит и мы знаем об этом, то начинаем вести себя так, чтобы вызвать в смотрящем определенную реакцию. Под наблюдением люди в среднем показывают результат лучше, чем когда работают одни. Но причинно-следственная связь здесь не абсолютна: вы не становитесь на 10% продуктивнее или на 20% умнее только из-за того, что кто-то за вами наблюдает. Зато изучать человеческое поведение из-за этого эффекта становится сложнее. А вот в квантовой физике непосредственное наблюдение обычно изменяет квантовую систему. Вот несколько примеров этого эффекта.
«Существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит?»
Никто не знает, кто из ученых задал этот вопрос и есть ли у него вообще один автор. Возможно, это сказал Альберт Эйнштейн, Эрвин Шредингер или Нильс Бор. Вопрос про Луну — часть мысленного эксперимента, которым занимались все трое ученых.
Обладает ли объект определенным свойством независимо от того, смотрят на него или нет? То есть остаются ли качества объекта под наблюдением и без наблюдения одинаковыми?
Этот вопрос кажется абсурдным, если применять его к повседневной жизни: плитка шоколада весит 100 грамм независимо от того, лежит она на весах или нет. Однако ученые отмечают, что в квантовом мире свойства частиц не имеют определенных и постоянных показателей.
Лучший пример «непостоянности» квантов — это суперпозиция. Квантовый объект может находиться одновременно в двух состояниях, например, «верхнем» и «нижнем». Мы не знаем, в каком из них пребывает квант, пока не начнем наблюдение. Как только появляется наблюдатель, кубит становится определенным, выбирает одну из двух возможных позиций, и тогда мы можем зафиксировать его значение. Какое состояние это будет — вопрос вероятности.
Соотношение определенности и неопределенности
Раньше для наблюдения за частицами ученые использовали камеру Вильсона: емкость, заполненную перенасыщенными парами воды. Проходя через такую камеру, заряженная частица оставляет за собой цепочку ионов — отчетливый след, похожий на след самолета.
Эти следы выглядят как четкие полосы, и с их помощью можно визуализировать траекторию частицы вокруг атома, по форме аналогичную орбите Луны. Однако в 1920-х годах физики поняли, что невозможно точно определить положение электрона на орбите — ведь только при наличии наблюдателя он занимает определенное состояние.
Кот Шредингера
В 1935 году Эрвин Шредингер сформулировал мысленный эксперимент. Он представил, что будет, если поместить кота в коробку со склянкой яда и с малым количеством радиоактивного вещества, которое может с равной вероятностью распасться или не распасться за отведенное время. Если радиоактивное вещество распадается, срабатывает механизм и разбивает склянку яда, убивая кота.
Вопрос, распался радиоактивный атом или нет — и будет ли квантовый кот Шредингера жить или умрет, — решается только тогда, когда мы открываем коробку. Звучит абсурдно, но так и должно быть — Шредингер хотел довести до абсурда масштаб изменений, на которые влияет наблюдатель.
Стоит отметить, что эксперимент с котом Шредингера и аналогичные соображения об эффекте наблюдателя в квантовой физике появились в 1930-х годах. Психологический эксперимент об эффекте Хоторна был проведен в тот же период — с 1927 по 1933 год. Это не значит, что квантовая физика и психология вдохновляли друг друга — но это интересная тенденция, и наблюдение меняет ход вещей в квантовом мире и в поведении людей.