Эффект наблюдателя: как кот Шредингера оказался и жив, и мертв
Что такое эффект наблюдателя
Эффект наблюдателя — это теория, что наблюдение за явлением изменяет свойства этого явления.
Рассматривая любой объект в мире вокруг нас, мы знаем, что этот объект остается одним и тем же — независимо от того, где, когда и как мы на него смотрим. Заявление о том, что время и способ, которым мы смотрим на предмет, меняют внешний вид или свойства предмета, звучит абсурдно в повседневной жизни. Но не для науки.
Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя, электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны. Проявления эффекта можно найти и в других областях, таких как социология, психология, лингвистика и компьютерные науки. Тем не менее, самые известные случаи относятся именно к физике. В других науках феномен менее изучен.
То, как наблюдатель влияет на ситуацию, важно не только для фундаментальных исследований, но для практического применения: например, в ситуационном менеджменте при учете влияния каждой конкретной ситуации на всю систему. Или в психологии, а также в любой деятельности, где важна связь между процессом наблюдения и наблюдателем.
Но иногда эффект наблюдателя — это просто следствие некорректного применения измерительных приборов или ошибок исследователя. Он исчезает, если использовать более эффективные инструменты или изменить методы наблюдения.
Эффект наблюдателя в квантовой физике
В квантовой механике «наблюдателем» является измерительный прибор, который фиксирует явление. Самые известные примеры «эффекта наблюдателя» в физике — мысленный эксперимент с котом Шредингера и опыт с двумя щелями Томаса Юнга.
Эксперимент с двумя щелями
Опыт с двумя щелями был проведен английским ученым Томасом Юнгом (Thomas Young) впервые в 1803 году. Он продемонстрировал его как подтверждение, что свет — это волна, а не поток частиц (корпускул). Впоследствии эксперимент Юнга повторяли другие ученые с разными объектами: электронами, отдельными фотонами и молекулами. Сейчас опыт Юнга — классическое доказательство того, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как волны, так и частицы.
Вопрос, как электрон «узнает», что за ним наблюдают, и почему изменяет свое «поведение», кажется одним из самых трудных для понимания в квантовой механике.
Кирилл Половников, кандидат физико-математических наук, популяризатор науки:
«Квантовые частицы (электроны, атомы или молекулы) настолько малы, что любые измерительные приборы неизбежно оказывают на них влияние. И это не техническая проблема, а принципиальная — природа так устроена, что мы никак не можем устранить это влияние. Самим фактом измерения мы меняем состояние квантового объекта.
Чтобы пронаблюдать электрон, мы вынуждены его «подсветить», т.е. направить на него поток фотонов — частиц света. Это самое малое воздействие, которому мы можем подвергнуть частицу. Фотоны взаимодействуют с ним и неизбежно изменяют его характеристики. Причем это изменение будет тем больше, чем точнее наше измерение, т.е. чем сильнее было наше воздействие. Именно поэтому после наблюдения электроны начинают вести себя иначе».
Ученые института Вейцмана (Weizmann Institute of Science), повторяя эксперимент, обнаружили: если они меняют параметры прибора-наблюдателя, заставляя его «видеть» больше или меньше электронов, то меняется и поведение этих электронов. В микромире любая попытка наблюдения или измерения меняет всю квантовую систему.
Мысленный эксперимент с котом Шредингера
Мысленный эксперимент с котом предложил в 1935 году австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер. Очень упрощенно он звучит так: в стальном ящике заперта кошка — вместе со смертельным механизмом, который активируется при распаде радиоактивного атома внутри него. Если атом распадется в течение часа, механизм сработает и кошка умрет. Но есть 50%-ная вероятность, что через час атом не распадется, и тогда кошка останется жива.
Мы узнаем, жива кошка или нет, только тогда, когда откроем ящик. До этого момента кошка, также как и радиоактивный атом, существует сразу в обоих состояниях: она и жива и мертва одновременно. С бытовой точки зрения звучит парадоксально, но в квантовой механике это обычное явление, когда физическая система находится одновременно в нескольких квантовых состояниях.
Такие состояния называются суперпозицией: в отсутствии наблюдателя кошка, сидящая в ящике, находится в суперпозиции состояния-1 «жива» и состояния-2 «мертва». Точно также как электрон из двухщелевого эксперимента, описанного выше, может проходить сразу через обе щели. Но если наблюдатель вмешается, т.е. физически воздействует на систему, то и кот, и электрон перейдут в какое-то одно состояние. Таким образом, на микроуровне сам факт измерения «заставляет» объект выбрать конкретное состояние.
Эффект наблюдателя в психологии
Одним из самых первых проявлений эффекта наблюдателя в социальной психологии считается эксперимент на фабрике Western Electric в США. Группа ученых во главе с психологом Джорджем Элтоном Мэйо (George Elton Mayo) меняла условия труда на фабрике, пытаясь понять, какие именно из них оказывают наибольшее влияние на производительность. Эксперимент проводился в несколько этапов и длился в общей сложности 8 лет.
Даже в тех случаях, когда условия труда были тяжелыми и непривычными, рабочие фабрики сохранили производительность, а в некоторых случаях даже стали работать эффективнее. Исследователи пришли к выводу, что на поведение рабочих положительно повлияло присутствие наблюдателей и понимание, что они участвуют в важном эксперименте. Иными словами, люди изменяли свое поведение, потому что за ними наблюдали. Это феномен был позже назван «эффектом Хоторна» (Hawthorne effect).
У исследователей пока нет о нем единого мнения. Они до сих пор задаются, вопросами, при каких условиях он возникает и какого размаха может достичь. В 2013 году ученые рассмотрели 19 исследований с данными о феномене. Они указали, что, хотя проявления эффекта Хоторна действительно существуют, собранных материалов недостаточно, чтобы сделать однозначные выводы.
Но эксперимент на фабрике помог психологу Мэйо сформулировать свою доктрину человеческих отношений. Один из главных ее принципов — важность сотрудничества между руководством и работниками. Мейо полагал, что межличностные отношения напрямую влияют на процесс производства и производительность. Сейчас доктрину человеческих отношений преподают в качестве учебной дисциплины в бизнес-школах и школах менеджмента.
Эффект наблюдателя в социологии
Гораздо менее приятное проявление эффекта наблюдателя — это «паноптикум» или, в современной трактовке, «общество наблюдения» (surveillance society).
В XVIII веке английский философ Иеремия Бентам предложил утопическое сооружение «паноптикум» (с греч. — «всевидящий»), предназначенное для исправления нарушителей — по сути проект идеальной тюрьмы. По его замыслу, заключенные находятся в круглом здании в полностью прозрачных камерах. При этом они не могут видеть охранников и не знают, наблюдают за ними или нет. Ощущение постоянного контроля создается за счет полной открытости и башни надсмотрщика, расположенной точно в центре круга. Бентам был уверен: если человек думает, что за ним постоянно наблюдают, он меняет свое поведение в лучшую сторону.
Современные исследования не полностью подтверждают идею Бентама: например, компании, установившие на рабочих местах устройства для контроля сотрудников, замечают впоследствии резкий рост текучки кадров, а не улучшение рабочего климата. А студенты, уверенные, что их посты и чаты мониторят сотрудники учебных заведений, меняют при общении в соцсетях стиль письма и круг обсуждаемых тем.
Технологические составляющие «общества наблюдения»: программы лояльности в розничной торговле, cookies на сайтах, национальные схемы идентификации, плановые медицинские осмотры и т.д., не вызывают у большинства резкой негативной реакции. Но их влияние на поведение людей недостаточно изучено, чтобы говорить о позитивном эффекте, в который верил Бентам.
Эффект наблюдателя в работе с данными
Еще одно интересное проявление феномена — так называемый вторичный эффект наблюдателя.
Когда разные исследователи отбирают и обрабатывают данные, каждый из них использует свои собственные методы. Но даже относительно безобидные различия на этапе отбора могут привести к разным результатам анализа одних и тех же данных. Такой эффект создают сами исследователи — прямо или косвенно. Например, в банке данных сведения за один период были ошибочно включены в другой и опубликованы в открытом доступе, а исследователь не обратил на это внимание или не перепроверил информацию по другим источникам. Похожим образом разные программы, которые используют один и тот же метод анализа, могут давать небольшие, но значимые отклонения.
При сборе и анализе данных ученые предлагают непременно принимать по внимание этот эффект: даже при небольших отклонениях в результатах последствия могут быть значительными
Эффект наблюдателя в лингвистике
В социолингвистике термин «парадокс наблюдателя» (observer’s paradox) был введен лингвистом Уильямом Лабовым (William Labov). Он заметил, что носители языка, общаясь с учеными-лингвистами и зная, что их речь будет использоваться в исследованиях, неосознанно искажают ее: начинают разговаривать формально и неестественно. Но именно естественная неискаженная речь нужна исследователю. Таким образом, **наблюдатель влияет на полученные данные: если бы он не присутствовал, говорящий использовал бы обычный народный язык.
Чтобы свести искажения к минимуму и обойти «парадокс наблюдателя», ученые используют особые приемы: например, наблюдают скрыто или называют носителям языка ложные цели исследования.
Критика эффекта наблюдателя
Влияние наблюдателя на результаты экспериментов до сих пор вызывает споры. Ученые критикуют и сам термин «наблюдатель» (ведь речь не всегда идет о человеке-наблюдателе, часто «наблюдатель» — это инструмент или прибор), и понятие «воздействие», под которым иногда подразумевается чуть ли не телепатическое влияние. Так, почему эксперимент с двумя щелями не доказывает, что эффект наблюдателя существует.
Кирилл Половников:
«Австрийские физики провели двухщелевой эксперимент с молекулярным соединением фуллереном. Молекула фуллерена имеет ту же двойственную природу, что и электрон. И чтобы ее проявить, фуллерену не потребовалось присутствия «наблюдателя». Изначально молекулы фуллерена вели себя как волны, проявляя только одну из своих характеристик. А потом их начали понемногу нагревать и они начинали вести себя уже как частицы. Это происходит потому, что нагретые молекулы начинают испускать инфракрасное излучение, по которому в принципе оказывается возможным определить, через какую именно щель пролетела та или иная эта молекула. Получается, что переход от волновых свойств к корпускулярным не требует присутствия наблюдателя.
Прежде чем пытаться ввести в физику наблюдателя и объявить, что он как-то влияет на результаты экспериментов, нужно обязательно указать, каким образом он осуществляет это влияние. Если наблюдатель будет сидеть в соседней комнате и просто думать «через какую щель пролетела частица?», мысленно представлять себе полет этой частицы или даже медитировать на нее, то на поведение частицы это не повлияет никак. А вот если наш наблюдатель попытается измерить ее состояния при помощи какого-то прибора, то есть окажет на нее хоть и малое, но реальное физическое воздействие, то частица будет вести себя иначе».
Эффект влияния экспериментатора на изучаемое явление (например, на поведение человека на рабочем месте) подтверждается научными данными. Но исследований пока недостаточно, чтобы сделать точные выводы о причинах и объеме этого влияния. Вполне возможно, что как и в случае с плацебо и ноцебо, эффект наблюдателя — это не однородный феномен, а несколько взаимосвязанных явлений.