К разговору на эту тему я готовилась очень долго и пришла к неутешительному выводу. Многие аспекты квантовой физики носят абстрактный характер и на человеческий язык не переводятся. Собственно, на этом можно было поставить точку в так и не начавшемся интервью, отказавшись от журналистской затеи. Но… как верно подметила моя героиня, если правильно спланировать работу и вдохновиться, всё начинает получаться.
Физик-экспериментатор Анна Патерова, что называется, проснулась знаменитой после встречи на форуме с президентом России. Сейчас Анна Владимировна, выигравшая мегагрант для молодых ученых и ведущая исследования мирового уровня в области квантовой сенсорики, работает в Южно-Уральском государственном университете.
Мы побеседовали о квантовом мире, полном парадоксов. Насколько реальна наша реальность? Так ли уж элементарна элементарная частица? А еще мы не обошли вниманием кота, который жив и мертв одномоментно в парадигме одного известного ученого, и коснулись теории струн, уже давно ставшей в современном научном сообществе (возможно, не слишком заслуженно) синонимом странноватости.
Справка
Анна Владимировна Патерова, PhD, старший научный сотрудник лаборатории «Квантовая инженерия света» ЮУрГУ. В 2014 году окончила физический факультет МГУ. С 2014 по 2018 год училась в аспирантуре в Наньянском государственном университете (Сингапур). После защиты диссертации на тему «Инфракрасная метрология с использованием видимого света» работала научным сотрудником в Институте исследований материалов и инженерии в Сингапуре. В 2024 году стала одним из двух лауреатов мегагранта для молодых ученых и переехала в Россию для продолжения своих исследований в области квантовой сенсорики.
— Это правда, что при смене наблюдающей системы свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются? Расскажите о парадоксе наблюдателя на каком-нибудь доступном для понимания примере.
— В квантовой механике выбор способа наблюдения действительно может повлиять на свойства системы. Это как раз и связано с тем, что до измерения квантовая система описывается волновой функцией, представляющей собой суперпозицию возможных состояний. Но как только мы проводим измерение, система «выбирает» одно из них.
Простой пример. Если направить на экран с двумя щелями пучок электронов, но не следить за их движением, электроны будут вести себя как волны, проходя через обе щели одновременно и создавая на экране интерференционную картину. Но если установить детектор у щелей и начать наблюдать, через какую щель проходит каждый электрон, интерференционная картина исчезает, а электроны ведут себя как частицы.
Парадокс наблюдателя в том, что сам факт измерения изменяет поведение квантового объекта. В классическом мире мы привыкли, что наблюдение не влияет на реальность, но в квантовом масштабе наблюдатель — это не просто пассивный свидетель, а активный участник происходящего, влияющий на измеряемую систему.
— Еще как влияет наблюдение на реальность на бытовом уровне! Достаточно вспомнить про кастрюлю с водой, которая упорно не закипает, если за кастрюлей следишь. У этого житейского феномена есть квантовый эквивалент? Если достаточно внимательно наблюдать за квантовой системой, можно ли предотвратить ее изменение?
— Пожалуй, здесь уместно вспомнить квантовый эффект Зенона. В квантовой механике частое измерение системы может препятствовать ее эволюции. Если достаточно часто «смотреть» на квантовую систему, то она будет оставаться в своем исходном состоянии, словно «замораживаясь». Это связано с тем, что любое измерение в квантовой механике приводит к коллапсу волновой функции. Если делать это достаточно часто, система просто не успевает эволюционировать, потому что каждый раз «перезапускается» в своем исходном состоянии.
Таким образом, наблюдение действительно может повлиять на поведение квантовой системы. Только в случае с квантовой механикой это не просто субъективное восприятие, а реальный физический эффект, подтвержденный экспериментами.
Параллельные вселенные
— Измеряя положение частицы, ничего нельзя сказать о направлении и скорости ее движения. Эти характеристики попросту будут отсутствовать. А если захочешь описать движение частицы, то не найдешь ее в пространстве, поскольку характеристики могут быть разными. Выходит, о частице нельзя сказать ничего определенного? Может быть, ее вообще не существует?
— Этот вопрос затрагивает суть квантовой неопределенности, но вовсе не означает, что частиц не существует. Скорее, он указывает на то, что привычные классические представления о частице, как об объекте с четко определенным положением и скоростью, не работают в квантовом мире.
В квантовой механике положение и импульс частицы подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга. Чем точнее мы измеряем одну из характеристик, тем менее определенной становится другая. Однако это не означает, что частицы нет.
— А так ли уж они элементарны? Возможно, и частицы имеют составляющие?
— Этот вопрос пока остается открытым. Частицы вроде кварков, лептонов и бозонов считаются фундаментальными, поскольку не имеют выявленной подструктуры. Однако исследования продолжаются, и новые теории предполагают, что частицы могут быть проявлением более глубокой структуры, например, вибраций струн в рамках теории струн.
На данный момент экспериментальных доказательств такой подструктуры нет. Кварки пока остаются предельно фундаментальными. Но физика постоянно развивается. В будущем новые открытия могут изменить наше представление о природе материи. Поэтому наука сохраняет гибкость в поиске ответов на заданный вами вопрос.
— Между тем уже одно упоминание о теории струн вызывает недоверие в научной среде. Это действительно компрометирующая тема?
— Я не эксперт в области теории струн. Мой научный интерес направлен в другую область. Одно могу сказать: к этой теории есть вопросы, особенно в отношении ее экспериментальной проверяемости и применимости к описанию реального мира. Теория струн пока остается в большей степени теоретической концепцией без экспериментального подтверждения.
— Одна из интерпретаций квантовой механики подразумевает одновременное существование множества взаимодействующих миров. Это антинаучная гипотеза?
— Гипотеза множества миров предложена физиком Эвереттом в 50-е годы прошлого века. Это интерпретация квантовой механики пытается объяснить, что происходит при измерении квантовой системы. Согласно этой интерпретации при каждом измерении Вселенная «разветвляется» на множество параллельных реальностей, в каждой из которых реализуется один из возможных исходов. Однако это не проверяемая теория, а именно интерпретация квантовой механики. Она согласуется с квантовой теорией, но пока не имеет экспериментального подтверждения.
— И все же можно ли предполагать, что существуют параллельные миры? Или наша реальность единственно возможная?
— С научной точки зрения, пока нет способов проверить существование параллельных миров и их взаимодействие. Однако идея многомировой интерпретации остается интересной, поскольку устраняет «схлопывание» (коллапс) волновой функции — ключевой, но загадочный процесс в квантовой механике. В любом случае наша реальность — та, которую мы наблюдаем, несомненно, существует. Что же касается вопроса «является ли она единственной или одной из множества», то он остается открытым для дальнейших исследований и философских размышлений.
Практическая польза
— Бывало в вашей экспериментальной деятельности такое, что вместо прогнозируемого результата вы получали вообще что-то неожиданное?
— Совсем неожиданного результата я не получала. Наверное, это было бы открытие. Между тем бывают моменты, когда в ходе эксперимента я понимаю, что можно немножко «подкрутить» схему или параллельно измерить что-то еще.
— В рамках выигранного вами мегагранта уже получены какие-то результаты?
— В этом направлении активная работа ведется уже полгода. Мы с командой продолжаем оснащать новую лабораторию, закупаем и настраиваем оборудование, необходимое для исследований. Первые результаты уже есть. Конечно, они не слишком эффектные, но ценные для нас. В прошлом году мы опубликовали две статьи.
— Какое практическое применение могут иметь в будущем ваши разработки?
— Если рассматривать инфракрасную спектроскопию, то могут быть применены датчики выбросов, позволяющие фиксировать возможное превышение содержания определенных газов в атмосфере. Что же касается инфракрасной микроскопии, есть перспектива применения ее в области ранней диагностики определенных заболеваний.
— Школьники и студенты проявляют интерес к квантовой физике? Чем вы их завлекаете в эту загадочную область?
— Говорим правду. Наука — это творческая деятельность, в которой не всегда всё идет как по маслу. Но если правильно спланировать работу и взяться за нее с вдохновением, всё начинает получаться. Проводя экскурсии в лаборатории, я рассказываю про связанность фотонов, которые мы генерируем в экспериментах, про практическое применение таких процессов. Ребятам всё интересно.
Вообще это только кажется, что квантовая механика — область, несовместимая с пониманием. На самом деле можно прикоснуться к квантовой механике, реально что-то сделать и найти применение полученным результатам. Не говоря уже о том, что возможности квантовых технологий в партнерстве с искусственным интеллектом, безусловно, в будущем изменят мир.
— Ваши эксперименты тоже нацелены на изменение мира?
— Ну нет, я так далеко не хочу забегать (смеется). Я всего лишь человек, который выполняет свою работу. Сейчас основная задача — оборудовать лабораторию, передавать знания студентам, заинтересовывать их научной деятельностью и, конечно, получить результаты, предусмотренные мегагрантом. Мы создадим инфракрасную микроскопию на основе квантового света и продемонстрируем практические возможности этой технологии.
— Удивительно… Общаясь с молодыми учеными, заметила, что никто не говорит «хочу совершить открытие, переворот в науке». Вот и вы хотите просто делать свою работу…
— Что касается амбиций, то они, конечно же, есть. Хочется быть признанной как в России, так и в международном научном пространстве, тем более что квантовая сенсорика сейчас динамично развивается во всем мире. Есть понимание того, как моя работа может перейти в практическую плоскость. Для меня важно увидеть и «пощупать» результат. От этого получаю большее удовлетворение, чем если бы мое имя громко гремело на мировом уровне, но не принесло бы никакой практической пользы.