tumblr_mj01qgxbmn1qcd45no1_1280-6095150
Термин «мысленный эксперимент» ввел немецкий физик и философ Эрнст Мах. Он утверждал: мир — это комплекс ощущений, то есть не объекты сами по себе являются источником человеческих ощущений, а наоборот — постоянные ощущения мы, для удобства, и называем объектами. Удивительно, что именно Мах, отрицавший существование атомов на том основании, что их нельзя потрогать, придумал использовать воображение как мощнейшую площадку для экспериментов, способную найти противоречия между теорией и субъективным опытом. Впрочем, такое противоречие, как показывает практика, не всегда свидетельствует о несостоятельности теории. Иногда оно, наоборот, развенчивает «обыденное сознание» как инструмент познания мира.

Представьте, что по орбите Земли летает небольшой фарфоровый чайник. Он настолько мал, что не виден даже с самых мощных телескопов. Является ли это отсутствие доказательств реальности чайника поводом поверить в его существование? Для разумного человечества, пожалуй, нет. Однако, как справедливо отмечал английский математик и философ Бертран Рассел, если бы существование чайника утверждалось в древних книгах, о его подлинности твердили каждое воскресенье и эту мысль с детства в вдалбливали головы школьников, то неверие в его существование казалось бы странным, а сомневающегося в эпоху просвещения передали бы на попечение психиатров, а ранее — в опытные руки инквизиции. Такой несложной мысленной иллюстрацией Рассел доказывал: бремя доказательств лежит не на сомневающемся, а на верующем во что-либо. И не атеисты должны доказывать отсутствие существования бога, наоборот, верующие — его наличие.
Верными сынами Расселовского чайника стали пастафарианцы со своим Летающим Макаронным монстром. Пивной вулкан и фабрика стриптиза, находящиеся в макаронном раю — чем не повод перестать сомневаться, и наконец уверовать?

Для тех, что сомневается в невозможности существования вечного двигателя, британский физик Джеймс Максвелл предложил изящное решение. Представьте себе разделенный на две части сосуд с газом. На перегородке внутри него есть устройство (демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только в правую часть сосуда, а медленным (холодным) молекулам — только в левую. Тогда через какое-то время все горячие молекулы окажутся справа, а холодные – слева. Получается, что «демон Максвелла» позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без использования энергии, а значит, уменьшить энтропию системы, что противоречит второму началу термодинамики.
Парадокс разрешается просто — для функционирования самого демона Максвелла потребуется энергии больше, чем выгадается на разнице температур сосуда. Энтропия всегда растет, Россия — наше отечество, смерть неизбежна. Кстати, Парижская академия наук уже почти 250 лет не рассматривает заявки на патентование «вечных двигателей». Но это не значит, что количество желающих приручить демона Максвелла сокращается.

Хитрый австрийский физик Эрвин Шредингер предложил нам побыть живодерами в собственном воображении. Представьте, что у вас есть ящик, внутри которого находятся кот, молоток, счетчик Гейгера, синильная кислота и чуть-чуть радиоактивного вещества. Настолько мало, что вероятность его распада и, соответственно, срабатывания счетчика в течение часа, составляет 50/50. Если распад произошел, молоток разбивает колбу с кислотой, и кот умирает. Если же вещество остается стабильным — коту повезло.

Насколько все было проще, пока Земля, в понимании исследователей, жила по Ньютоновским законам! Мир элементарных частиц и описывающая его квантовая механика сильно усложнили жизнь бедному коту. Его состояние до произведения наблюдения описывается суммой всех возможных — распавшегося и нераспавшегося атома, а значит, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
Для объяснения кошачьего дуализма недостаточно даже квантовой механики (мысленный эксперимент был затеян Шредингером как раз с целью показать дырки теории в ее тогдашнем виде). На помощь коту приходят различные интерпретации. Например, копенгагенская интерпретация, наиболее адекватные толкователи которой догадываются, что наблюдением, способным редуцировать систему до одного из ее состояний, будет не наблюдатель, открывающий крышку ящика, а срабатывание счетчика Гейгера. Таким образом, кот либо постоянно жив, либо сначала жив, потом мертв, и никаких «пограничных» состояний между жизнью и смертью не имеет. Впрочем, в копенгагенской интерпретации не содержится подсказок относительно того, что именно считается наблюдением, поэтому гипотетический «мертво-живой» кот исключается не полностью.

Многомировая интерпретация ловко обходит саму возможность существования одновременно живого и мертвого кота, предполагая, что в момент распада атома вселенная расщепляется на две, в одной из которых экспериментатор продолжает наслаждаться общением с мохнатым подопытным, а в другой — хоронит его на заднем дворе. Приводит ли воображаемый эксперимент к появлению воображаемых распараллеленных вселенных, поклонники данной интерпретации не уточняют.

Задача о быстроногом Ахиллесе, который не может догнать черепаху, пережила своего автора, древнегреческого философа Зенона Элейского, на две с половиной тысячи лет. В своем классическом виде эта самая известная апория Зенона выглядит так: допустим, Ахиллес бежит в десять раз быстрее, чем черепаха, и находится позади неё на расстоянии в тысячу шагов. За то время, за которое Ахиллес пробежит это расстояние, черепаха в ту же сторону проползёт сто шагов. Когда Ахиллес пробежит сто шагов, черепаха проползёт ещё десять шагов, и так далее. Процесс будет продолжаться до бесконечности, Ахиллес так никогда и не догонит черепаху.
Ахиллес и черепаха — идеальные примеры для демонстрации противоречий между умозрительной чистой математикой и реальными физическихми процессами. В математике мы легко оперируем понятиями вроде бесконечно уменьшающихся множеств и точек, бесконечно делящихся надвое, но продолжающих оставаться точками. Но жестокая действительность, в которой Ахиллес неизбежно догоняет и перегоняет медлительное пресмыкающееся, опровергает умозрительную модель. Многие рассматривают этот мысленный эксперимент как доказательство того, что пространство и время состоит не из способных бесконечно делиться промежутков, а из дискретных порций, квантов, каждый из которых является минимально возможным промежутком и разделен быть не может, а значит, допущение Зенона имеет реальный предел. В самом деле, не может же конечная величина состоять из бесконечного количества точек? Самое забавное, что даже спустя две с половиной тысячелетия дискуссия бесконечно далека от завершения — тысячи философов, физиков и математиков все так же не могут угнаться за воображаемой черепахой.