Текст книги "Квант"

Декогеренция

В 1980-х и 1990-х годах первая часть проблемы прояснилась. Физики наконец поняли, что происходит, когда изначально изолированная квантовая система, такая как отдельный атом, прекрасно чувствующая себя в суперпозиции, становится запутанной с макроскопическим объектом. Как выяснилось, суперпозиция различных состояний, в которой вынужденно оказывается столь сложная система, включающая в себя триллион триллионов атомов, просто не может существовать достаточно долго и очень быстро исчезает, или декогерирует. Можно сказать, что деликатная суперпозиция безвозвратно пропадает среди колоссального числа других возможных суперпозиций, соответствующих различным возможным комбинациям взаимодействий между всеми атомами макроскопической системы. Восстановление оригинальной суперпозиции немного похоже на попытку перетасовать колоду карт таким образом, чтобы все четыре масти оказались отдельно друг от друга, однако осуществить его гораздо более сложно.

Декогеренция представляет собой реальный физический процесс, который постоянно происходит повсеместно. Он запускается, когда квантовая система теряет изоляцию от окружающей макроскопической среды, а ее волновая функция становится запутанной со сложным состоянием этой среды. Средой может быть что угодно – от фоточувствительного экрана до электронного устройства и даже до окружающих систему молекул воздуха. Если связь с этой внешней «средой» оказывается достаточно прочной, изначальная деликатная суперпозиция очень быстро теряется. На самом деле декогеренция представляет собой один из самых быстрых и эффективных процессов во всей физике. Именно эта выдающаяся эффективность и стала причиной, по которой декогеренция так долго не была открыта. Только сегодня физики понимают, как ее можно контролировать и изучать. В Главе 10 я опишу несколько проведенных в последние годы примечательных экспериментов, в которых мы действительно можем увидеть декогеренцию в действии.

Строго говоря, физики утверждают, что волновая функция среды теряет все остатки изначальных корреляций между двумя своими запутанными частями. Пожалуй, ярче это можно описать следующим образом: как только квантовая суперпозиция становится запутанной с внешним миром, вся странность пропадает так быстро, что мы не успеваем засечь ее с поличным.

Процесс декогеренции по-прежнему активно изучается и еще не до конца понят. Но мы хотя бы можем начать распутывать первую часть проблемы измерения. Мы никогда не видим кота Шрёдингера живым и мертвым одновременно, потому что декогеренция в коробке происходит задолго до того, как мы ее откроем. Здесь дело даже не в коте – все случается гораздо раньше из-за наличия устройства, в котором заключены радиоактивное ядро и яд. Именно это и формирует макроскопическую среду, непосредственно окружающую радиоактивное ядро.

Мы можем применить идею декогеренции и к другому примеру – той ситуации, когда детектор регистрирует, по какому из ответвлений интерферометра или сквозь какую из прорезей прошел атом. Здесь все объясняется проще. Чтобы получить информацию о положении атома, детектор должен установить связь с волновой функцией атома, и их запутанность быстро приводит к декогеренции. Обратите внимание, я написал «с волновой функцией атома», а не «с атомом», так как, если детектор не обнаружит атом, это будет означать, что тот пошел другим путем. Кроме того, это «измерение» уничтожит картину интерференции. Так что, хотя детектору и атому нет нужды вступать в физическое взаимодействие в классическом смысле, но с волновой функцией он все же оказывается в запутанном состоянии.

Без детектора, установленного за одной из двух прорезей, декогеренцию провоцирует второй экран. Однако в этом случае остановить появление картины интерференции уже невозможно – две части волновой функции атома слишком долго оставались одни, чтобы между ними возникла интерференция. Само собой, весь фокус с двумя прорезями нужно проводить в вакууме, ведь иначе атом будет сталкиваться с молекулами воздуха и сбиваться с пути. Это все равно что сказать, что декогеренцию в таком случае будет вызывать сам воздух. Впрочем, я чересчур небрежно подобрал слова. Используя фразы вроде «сталкиваться с молекулами», я представил это так, словно атом уже представляет собой классическую частицу с предопределенным положением. Теперь мы знаем, что до декогеренции и проведения измерения мы можем описать атом только при помощи его волновой функции.

Решает ли декогеренция проблему измерения?

Кто-то скажет нет, ведь она не помогает в решении второго вопроса, а именно каким образом после измерения выбирается один из возможных вариантов, каждый из которых представляет собой вероятный исход. Декогеренция объясняет, почему мы никогда не видим одновременно живого и мертвого кота, но не говорит, как выбирается одна из двух альтернатив. Квантовая механика остается вероятностной, а эта непредсказуемость отдельных измерений никуда не пропадает.

Другие физики полагают, что декогеренция вообще не особенно проясняет проблему измерений, даже на уровне избавления от суперпозиций. Они утверждают, что суперпозиции просто оказываются похороненными в сложности запутанной волновой функции квантовой системы и макроскопического измерительного устройства, однако в принципе никуда не исчезают. Мы просто не можем их восстановить. Именно поэтому мы и не видим квантовую странность в действии.

Те же, кто с большим оптимизмом смотрит на объяснение проблемы измерений посредством понимания декогеренции, придерживаются несколько иного взгляда. Они говорят, что, хотя вероятностная природа квантовой механики и означает, что мы даже теоретически не можем с уверенностью сказать, обнаружим мы кота живым или мертвым, это является эквивалентом знакомой нам статистической вероятности. Проблема заключается лишь в том, что мы не знаем, какой вариант выбран, поскольку у нас в распоряжении есть только волновая функция. Но кот уже либо жив, либо мертв!

Способ, которым процесс декогеренции заставляет квантовую странность исчезнуть, можно представить в качестве SD-диаграммы под названием распределение Вигнера. Две горизонтальные оси означают положение и величину импульса, так что каждый из пиков на неровной поверхности соответствует конкретному положению и величине импульса квантовой частицы. Два широких пика обозначают два возможных положения частицы при установленном наблюдении. Очевидно, вероятность ее обнаружения справа вдвое больше вероятности ее обнаружения слева, так как правый пик вдвое выше. Колебания в центре соответствуют условиям интерференции. Они не соответствуют возможным результатам измерения, а представляют собой те самые состояния, в которых кот одновременно и жив, и мертв.

На верхней диаграмме эти колебания интерференции значительно выше, поскольку декогеренция еще не произошла. Но очень скоро (нижняя диаграмма) декогеренция заставляет их исчезнуть. В то же время два физически реализуемых варианта остаются незатронутыми.

Таким образом, установление связи с окружающей квантовую систему средой, которое неизбежно происходит, когда систему больше нельзя считать изолированной, приводит к запутанности, а следовательно, и декогеренции. Означает ли это, что случилось измерение? Если в дополнение к декогеренции выбирается один из оставшихся возможных вариантов, то да, измерение произошло. Наблюдателю нет нужды приводить волновую функцию к коллапсу, поскольку единственный исход уже ожидает, когда мы решим его проверить.

Мне кажется, что это еще не все. Я полагаю, что однажды будет объяснен даже процесс выбора, происходящий после декогеренции. Ряд физиков, включая Роджера Пенроуза, считает это возможным. Многие другие, работающие в сфере космологии и квантовой гравитации, верят, что проблема уже решена.

Итак, следующая остановка: различные интерпретации квантовой механики.

Глава 6. Великий спор

Формализм против интерпретации

Понимание многих квантовых идей, включая волновую функцию и ее странные свойства, и квантовых постулатов, которые говорят нам, как извлекать из них информацию о субатомном мире, жизненно необходимо для успеха и понимания всей квантовой теории. И все же в первой половине этой книги мы увидели, как трудно перевести сложную математику на язык слов, которые были бы понятны как физикам, так и нефизикам. Иными словами, хотя формализм квантовой механики не вызывает сомнений, никто пока не нашел такого объяснения, или интерпретации, этой теории, которое удовлетворило бы всех без исключения.

В эксперименте с двумя прорезями мы можем очень точно предсказать форму картины интерференции, которая появляется на экране (хотя и не можем предсказать, куда ударит каждый конкретный атом). Гораздо более удивительно, что квантовая механика очень точно предсказывает параметры атомов и молекул и тех частиц, из которых они состоят, а также природу сил, сдерживающих их вместе для формирования окружающих нас богатых и многообразных структур. Способность к таким предсказаниям есть не что иное, как признак успешной научной теории. Особенно поразителен тот факт, что мы можем сделать все эти выводы, не зная, почему мы получаем конкретные результаты. Похоже, мы вполне справляемся и без представления о том, как именно атом проходит сквозь две прорези.

Большинство практикующих физиков научились использовать теорию без понимания, почему она работает. На самом деле многие ведущие физики нашего времени открыто признавали, что никто до конца не понимает квантовую механику! Разве это не должно никого волновать? В этой главе мы изучим различные подходы к интерпретации теории и познакомимся с точками зрения, которые разделяли – и до сих пор разделяют – физики.

Уверен, многим физикам не понравится то, что я изложу в этой главе, так как я собираюсь описывать различные взгляды непредвзято. В конце концов, основная цель этой книги – объяснить, что такое квантовая механика и почему она так необычна. Но с моей стороны было бы нечестно и самонадеянно делать вид, что в квантовом саду благоухают розы. Многие физики, включая целый ряд моих коллег и партнеров-исследователей, считают, что здесь нет никакой проблемы. Они утверждают, что нет никакого смысла заострять внимание на конфликтах между различными интерпретациями того, что, в общем-то, представляет собой полностью понятную, логически последовательную и успешную математическую теорию.

Но было бы столь же нечестно – а эта книга, вероятно, стала бы не такой интересной, – если бы я в определенных случаях не показывал, какой именно позиции придерживаюсь.

Позвольте мне начать с серьезного, но при этом точного утверждения: ни одна интерпретация квантового формализма не может считаться лучше остальных и выбор между ними – лишь вопрос эстетики и вкуса каждого. В связи с этим многие считают бесполезным обсуждение плюсов и минусов различных интерпретаций. Хуже того, многие полагают, что истинной интерпретации нет и вовсе, а существующие представляют собой лишь в равной степени обоснованные способы толкования происходящего.

Эта точка зрения нашла отражения в часто цитируемой интерпретации «заткнись и считай», которая гласит, что, раз уж доказано (по крайней мере, пока), что верную интерпретацию найти невозможно, разговаривать о ней – пустая трата времени. Пускай этими вопросами занимаются философы, а физики пока продолжат использовать квантовомеханический формализм для изучения природы.

Более полувека ведущие физики ломали головы над проблемами интерпретации. Они утверждали, что квантовая механика уникальна среди научных теорий, потому что, обладая огромной предсказательной силой, толковать она по определению может лишь результаты измерений. Только это и должно нас волновать – переживать о необходимости для продвижения вперед единственной интерпретации нам не стоит. Такой прагматичный, или «инструменталистский», подход основан на философии «логического позитивизма», которая была популярна в Европе в период зарождения квантовой механики. Само собой, мне не хочется отклоняться от физики и уходить в философию, но все же я вкратце опишу суть этого подхода: если два человека придерживаются разных мнений, но при этом не могут разрешить свой спор при помощи эмпирических фактов, то в их противоречивых заявлениях нет никакого смысла – лучше им пойти и выпить пива.

Какова моя позиция по этому вопросу? Я придерживаюсь подхода, который называю «заткнись, пока считаешь». Он дает мне свободу размышлять о достоинствах различных интерпретаций квантовой механики, когда я не думаю о греческих буквах, не пишу компьютерный код и не царапаю мелом на доске алгебраические формулы. К несчастью, я мечусь уже почти двадцать лет, но так и не выбрал лучшую для себя интерпретацию. Я бы сказал, что квантовая механика позволяет нам свободно коммуницировать с природой посредством понятных правил математической грамматики, однако нам до сих пор не хватает единого перевода этой коммуникации на язык слов!

При этом я должен признать, что, как и большинство других физиков, я отягощен наследием Бора и так называемой стандартной интерпретацией квантовой механики. Эта интерпретация фигурирует в учебниках квантовой физики и преподается студентам-физикам, как будто она представляет собой единственное доступное пониманию объяснение того, что происходит, хотя в последние годы этот подход и подвержен изменениям. В его защиту говорит то, что он представляет собой самую простую интерпретацию. Это настоящий инструмент прагматика – он дает способы проведения расчетов в квантовой механике и называется просто копенгагенской интерпретацией. К сожалению, он обходит стороной целый ряд самых глубоких загадок квантового мира и просто оставляет многое за скобками. Однако под общим названием скрывается целый спектр различных точек зрения, выстроенных на одной основе.

Чтобы вы поняли, насколько широко распространена копенгагенская интерпретация, я скажу, что многие положения, уже упоминавшиеся на страницах этой книги, не входят в альтернативные, в равной степени верные интерпретации. К примеру, я подробно остановился на том, что волновая функция представляет собой не реальную физическую сущность, а просто набор чисел, которые позволяют нам делать предсказания по поводу исхода измерений. Об этом говорит только копенгагенская интерпретация, в то время как остальные точки зрения, с которыми вам еще предстоит познакомиться, считают волновую функцию физически реальной. Что еще удивительнее, мне не нужно было настаивать, что в фокусе с двумя прорезями атом должен «каким-то образом» пройти сквозь обе прорези одновременно. Как выясняется, к этому выводу нас не подталкивает ни квантовый формализм, ни экспериментальное наблюдение. В интерпретации де Бройля – Бома мы увидим, что вполне разумно предположить, будто атом прошел либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь, но на выходе при этом все равно получить картину интерференции!

Первым делом давайте внимательнее познакомимся с тем, на чем настаивал Бор и продолжают настаивать многие поколения физиков, называющих себя его последователями.

Копенгагенская интерпретация

Копенгагенский подход представляет собой скорее не интерпретацию научной теории, а идеологию или философское учение. С ней согласны не все физики. На самом деле даже утверждалось[38]38
  Max Jammer. The Philosophy of Quantum Mechanics (Wiley & Sons, New York, 1974). P. 87.


[Закрыть], что:

«Копенгагенская интерпретация представляет собой не единый, четко определенный и недвусмысленно описанный набор идей, а общий знаменатель для различных точек зрения».

Она была разработана в процессе дискуссий, которые велись во второй половине 1920-х годов между Нильсом Бором и группой блестящих молодых гениев, собранных им в собственном новом институте в Копенгагене. Самым заметным из них был уже знакомый вам Вернер Гейзенберг. Основным вкладом Гейзенберга в физику стала альтернативная волновому уравнению Шрёдингера формулировка квантовой механики, которую стали называть матричной механикой. Я не описывал этот подход, так как в нем задействована сложная математика, однако многие практикующие в сфере квантовой физики исследователи предпочитают именно его, считая его более элегантной и действенной техникой, чем подход Шрёдингера. Часты и случаи, когда требуется комбинация двух этих подходов.

В разработке копенгагенской интерпретации принимали участие и другие ученые, в частности Макс Борн, который первым предложил вероятностную интерпретацию волновой функции. Впоследствии ведущие физики, включая американца Джона Уилера, расширили и прояснили многие идеи Бора. Но в целом копенгагенскую интерпретацию следует считать детищем самого Бора.

Копенгагенское объяснение: так как мы не можем узнать, что происходит за квантовым занавесом, не влияя при этом на результаты, задаваться этим вопросом бесполезно – обсуждать нужно лишь наблюдаемое.

Примечательно, что физики и по сей день остаются высокого мнения о взглядах Бора, сформулированных на три четверти века раньше. Лучше всего это описал физик Роланд Омне (один из авторов идеи декогеренции)[39]39
  Roland Omnes. The Interpretation of Quantum Mechanics (Princeton University Press, 1994). P. 81.


[Закрыть]:

«Обыкновенно физическая теория представляется в достаточно точном и последовательном виде, поэтому никому не кажется необходимым цитировать тех, кто стоял у ее истоков; их последователи скорее стараются поддерживать изначальный дух и посыл. Вопреки этому разумному обычаю, самые полные книги о копенгагенской интерпретации являются перепечатками оригинальных статей и последующих комментариев и с течением времени и вовсе превращаются в комментарии комментариев. В них много внимания уделяется бесконечному обсуждению сложностей, с которыми сталкивается интерпретация, причем зачастую на страницах приводятся аргументы, где философия науки становится важнее собственно физики».

Само собой, это ни в коей мере не должно принижать заслуги и гений Бора, однако при изложении собственных идей ему действительно недоставало ясности. Это привело к появлению множества интерпретаций его интерпретации… если вы понимаете, о чем я.

Впрочем, существует ряд общих идей, которые встречаются во всех многочисленных и порой противоречащих друг другу версиях копенгагенской интерпретации.

Прежде всего, она гласит, что мы не можем описать квантовую систему отдельно от измерительного аппарата. В отсутствие измерительного устройства спрашивать о состоянии системы бессмысленно, поскольку узнать что-либо о системе мы можем, только вынудив ее взаимодействовать с устройством, которое мы используем для наблюдения за нею.

Далее, наблюдатель играет важнейшую роль. Так как мы вольны выбирать, какое измерение провести (узнать положение или импульс частицы, направление поляризации фотона или спин электрона), нельзя сказать, что квантовая сущность вообще обладает этими определенными характеристиками, пока мы не установим за ней наблюдение. Она должна оставаться в суперпозиции, пока мы не решим, что хотим измерить. В этом отношении определенные свойства квантовой системы соотносятся с реальностью лишь непосредственно в момент измерения. До этого нельзя считать их даже существующими в классическом смысле, пока мы их не измерим. Реальны лишь результаты измерений!

Нужна ли теории интерпретация?

Представление о том, что научная теория вполне может иметь более одной интерпретации, при условии что их предсказания не различаются, вероятно, характерно лишь для квантовой механики. Сравнив эту ситуацию с другими выдающимися достижениями XX века, можно провести интересную параллель.

В 1905 году, всего через несколько месяцев после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую он впоследствии удостоился Нобелевской премии, Эйнштейн завершил свою самую знаменитую работу – специальную теорию относительности. Она гласила, что различные наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, будут иметь разное представление о расстоянии и временных интервалах между двумя событиями. Так как никто не вправе претендовать на главенство собственной системы отсчета, представление об абсолютных длинах и временных интервалах пропадает. Это можно понять, только объединив идеи пространства и времени. Следовательно, два наблюдателя, движущихся на высокой скорости относительно друг друга, будут по-разному оценивать длину объекта. Это в некотором роде уравновешивается тем, что измеренное их часами время между двумя событиями тоже будет разным.

Измеренные двумя наблюдателями расстояния между двумя точками и временные интервалы связаны друг с другом посредством набора алгебраических формул, называемых преобразованиями Лоренца по имени голландца Хендрика Лоренца, который первым записал их за год до публикации работы Эйнштейна. Значительная часть подготовительной работы к теории относительности действительно была проведена еще до Эйнштейна, и в 1890-х годах Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд независимо друг от друга предложили ранние формы этих преобразований, чтобы объяснить известный эксперимент, который показал, что свет может проходить сквозь пустое пространство.

Проблема состояла в том, что уравнения Лоренца и Фицджеральда были абсолютно правильными и давали верный ответ, но по неверной причине. Ученые неправильно истолковали происходящее, предположив, что измеряющий скорость света прибор оказывался растянутым в длину из-за своего движения сквозь таинственный «эфир», заполняющий все пространство. Великое достижение Эйнштейна заключалось в том, что он предложил простой постулат, с помощью которого смог дать верную интерпретацию физики. Он показал, что для распространения свету вовсе не нужен носитель – как в случае с водой и водяными волнами. Все встало на места, когда он смело предположил, что пучок света не только может проходить сквозь пустое пространство, но и обладает одинаковой скоростью, независимо оттого, как быстро мы двигаемся относительно него в момент проведения измерений.

В эту идею трудно поверить, но она чрезвычайно важна. Последовавшие за ней предположения, в частности о единстве пространства и времени, позволили нам объяснить получаемые экспериментальные результаты.

Таким образом, сжатие Лоренца – Фицджеральда оказалось верным – рассчитанные ими величины сошлись с результатами наблюдений, однако не по той причине, по которой они полагали. Эйнштейн дал верную интерпретацию. Мы ясно видим, что хорошая интерпретация ценна тем, что она подводит нас ближе к истине. Без удовлетворительной интерпретации мы до сих пор бродили бы в темноте, как бы хорошо наша теория не соотносилась с экспериментальной практикой.

Никто не смог предложить единственную и полностью удовлетворительную интерпретацию квантовой механики. Но означает ли это, что такой «верной» интерпретации не существует вовсе?

Еще одна идея копенгагенской интерпретации заключается в том, что должно существовать четкое разделение между измеряемой (квантовой) системой и макроскопическим измерительным прибором (описываемым по законам ньютоновской, или классической, механики). Следовательно, хотя последний и состоит из атомов, нельзя считать, что он в равной степени подчиняется квантовым законам. Акт измерения приводит к резкому скачку в состоянии измеряемой системы, которая превращается из комбинации потенциальных параметров в итоговый результат. Идею «коллапса волновой функции», происходящего после измерения, впервые в 1929 году предложил Гейзенберг.

Неудивительно, что теория не поддается логическому пониманию, так как для объяснения квантовой механики требуется прибегать к отчаянным мерам. Вероятно, большего здесь и не сказать. Теперь мне стоит перечислить свои претензии к копенгагенскому подходу, чтобы вы поняли, почему я – как и многие другие физики – полагаю, что ее время прошло.

Я вообще не считаю копенгагенскую интерпретацию настоящей интерпретацией. Это набор правил, которым мы должны подчиняться, чтобы применять квантовый формализм, не задумываясь о его значении. Следовательно, копенгагенская интерпретация не только не объясняет, как атом проходит сквозь две прорези одновременно, но и категорически заявляет, что сам этот вопрос не имеет никакого смысла, а потому нам стоит ограничить свои комментарии картиной интерференции на экране (то есть измерением). Копенгагенская интерпретация успешно устраняет логические противоречия и нестыковки, позволяя задавать лишь те вопросы, которые касаются результатов измерений.

Многие из тех, кто стоял у истоков копенгагенской интерпретации, в частности Бор, Гейзенберг и Вольфганг Паули, с некоторым презрением относились к последующим попыткам формирования физической картины квантового мира. Они считали их тщетной попыткой вернуться к устаревшему (ньютонианскому) способу мышления, который навсегда отошел в прошлое. Впоследствии Бор действительно даже отказывался смотреть на альтернативные интерпретации, вероятно, надеясь, что они просто пропадут сами собой. Гейзенберг тоже не принимал эти варианты, поскольку:

«они лишь повторяют копенгагенскую интерпретацию другими словами [и] формируют исключительно позитивистскую точку зрения, что кто-то может сказать, будто мы тут изучаем не контрпроекты для копенгагенской интерпретации, а лишь заботимся о ее точном повторении на другом языке»[40]40
  Werner Heisenberg. Physics and Philosophy (New York: Harper and Row, 1958). P. 129.


[Закрыть].

Он полагал, что формализм квантовой механики предопределяет существование лишь одной интерпретации, в то время как альтернативные подходы отличаются от нее одним только способом интерпретации математики, но не задействуют никакой другой физики. Не стоит и говорить, что я с ним не согласен, ведь таким взглядом может обладать лишь приверженец копенгагенской школы позитивизма!

Мое второе критическое замечание связано с тем, что копенгагенская интерпретация ничего не говорит о том, как происходит коллапс волновой функции. Время странным образом делится на периоды до и после измерения, которое проводится в отношении квантовой системы. Прежде чем мы установим наблюдение, оно развивается в соответствии с уравнением Шрёдингера. Это развитие – изменение волновой функции с течением времени – не предполагает ни неопределенности, ни вероятностей. Но, как только происходит измерение, нам приходится следовать совершенно другому набору правил, в связи с чем в дело вступают квантовые вероятности. Копенгагенская интерпретация не может и даже не пытается объяснить это различие между обычным физическим процессом и процессом измерения.

Наконец – и это, как мне кажется, самое важное, – наделяя наблюдателя таким привилегированным статусом, копенгагенская интерпретация отрицает наличие объективной реальности, которая существует в отсутствие наблюдения. Сторонники копенгагенского подхода часто обвиняют тех, кто до сих пор ищет интерпретации квантового формализма, в том, что они потерялись в метафизике, забыв об истинной физике. Однако, если «верная» интерпретация квантовой механики действительно существует, ее поиск представляет собой попытку объяснить, как на самом деле ведет себя природа. В то же время довольствоваться набором узкоспециальных правил, которым следует подчиняться, чтобы проводить вычисления, можно лишь временно.

Что же еще есть на рынке? И, если другие интерпретации в состоянии дать более рациональное и убедительное объяснение, почему большинство физиков по-прежнему предпочитают копенгагенский подход?