Текст книги "Квант"

Интерпретация де Бройля – Бома

Нескольких отцов-основателей квантовой механики не устроило копенгагенское объяснение, которое они сочли лишь превалирующей догмой. С самого начала Эйнштейн, Шрёдингер и де Бройль изо всех сил пытались предложить встречные варианты интерпретации квантовой механики, но они не могли тягаться с талантом, напором и даром убеждения копенгагенской группы. Есть целый ряд свидетельств множества профессиональных споров Бора и Эйнштейна о смысле всего этого, и общепризнанно, что победил в этой дискуссии Бор. Однако это произошло лишь потому, что Эйнштейн настаивал на устранении всей квантовой странности. Теперь мы знаем, что это невозможно, но это не означает, что Бор был прав!

На самом деле первую серьезную альтернативу копенгагенской интерпретации предложил Луи де Бройль. Он назвал свой подход «принципом двойного решения», намекая на предложенный им синтез волнового и корпускулярного аспектов материи. Одной из ключевых вех в развитии квантовой механики стал состоявшийся в 1927 году в Брюсселе Сольвеевский конгресс. Считается, что никогда прежде столь многое не прояснялось таким малым количеством ученых за столь короткое время. На конгрессе присутствовали все ведущие физики-теоретики того времени, включая Эйнштейна и Бора.

Де Бройль представил статью, в которой предположил, что волновая функция на самом деле может соответствовать реальной физической волне, которая направляет реальные квантовые частицы по определенным путям. У него не было времени должным образом выстроить все свои идеи, так что он не смог защитить их от серьезной критики ряда делегатов. Дело в том, что с момента опубликования Гейзенбергом матричной механики прошло всего два года, и копенгагенский кружок полностью отвергал любой подход, в котором прослеживалась попытка вернуться к «реализму», называя его слишком наглядным, а потому неверным в квантовом мире.

Объяснение де Бройля – Бома: атом остается локализованной классической частицей, а следовательно, проходит только сквозь одну из прорезей. Однако влияние квантового потенциала распространяется на обе прорези и направляет атом по определенному, но неконтролируемому и непредсказуемому пути, вытравленному картиной его распределения.

Четверть века спустя оказалось, что их подход был опрометчивым и чересчур догматичным.

Американский физик Дэвид Бом, который поселился в Англии, после того как ему пришлось уволиться из Принстона из-за подозрений в антиамериканской деятельности в эпоху маккартизма, с успехом выполнил то, что многим представлялось невозможным. В 1952 году он опубликовал две статьи, которые, в сущности, представляли собой развитие оригинальной идеи де Бройля. В этих работах он показал, что копенгагенская интерпретация не единственная совпадала с результатами экспериментов.

Важно подчеркнуть, что интерпретация Бома не подразумевает никаких дополнений к уравнениям квантовой механики. Людям не понравилась не сама теория – не математический аппарат, с помощью которого мы рассчитываем физические свойства квантовых систем, – а ее значение. Так что, прежде чем подробнее остановиться на идее Бома, я еще раз хочу обратить ваше внимание на то, что две этих интерпретации (копенгагенская и де Бройля – Бома, хотя де Бройль и не получил за нее заслуженного признания) не делают никаких иных измеримых предсказаний о субатомном мире. Это просто невозможно, раз они используют одну и ту же теорию. Они дают нам лишь два очень разных взгляда на происходящее в эксперименте с двумя прорезями. Следовательно, они различаются лежащей в их основе физикой, а не языком, используемым для описания формализма.

Бом предположил, что волновая функция представляет собой не просто математическую величину, а реальную физическую сущность. Следуя старой идее де Бройля, он преобразовал уравнение Шрёдингера таким образом, чтобы оно дало картину определенных частиц, направляемых своеобразным силовым полем.

Сторонники подхода де Бройля – Бома утверждают, что таким образом мы возвращаем себе не что иное, как саму реальность. Мы снова оказываемся вправе задать вопрос, что на самом деле происходит, когда атом встречает на своем пути две прорези. Может, нам и не нравится, что мы получаем, а некоторые физики даже используют это в качестве повода для критики этой интерпретации, поскольку квантовая странность – такая как уже знакомая нам нелокальная природа волновой функции – более не скрывается под удобной математикой и оказывается «прямо у нас под носом». Бом позволяет нам задавать вопросы о том, как ведет себя природа в отсутствие наблюдения. Многим физикам это кажется бесполезным, поскольку мы не в силах выяснить истину, пока не установим наблюдение, поэтому нам достаточно и минималистской копенгагенской интерпретации, которая затрагивает только результаты измерений.

Как же интерпретация де Бройля – Бома объясняет фокус с двумя прорезями? Она утверждает, что часть информации, заключенной в волновой функции Шрёдингера, описывает форму квантовой энергии, называемую квантовым потенциалом, которая распространяется в пространстве и направляет квантовые частицы по определенным путям. В связи с этим, хотя сам по себе атом проходит только сквозь одну из прорезей, квантовый потенциал охватывает обе. Возникающая на экране картина интерференции образуется в результате того, как квантовый потенциал ведет себя по другую сторону прорезей. Можно сказать, что форма квантового потенциала заставляет каждый атом двигаться по определенному, но непредсказуемому пути. Истинная форма квантового потенциала выясняется лишь после прохождения множества атомов и представляет собой картину их попаданий на задний экран.

Когда мы пытаемся следить за атомами, картина интерференции пропадает, поскольку мы оказываем влияние на квантовый потенциал. Точно так же закрытие одной из прорезей изменяет квантовый потенциал повсюду и вызывает изменение возможных траекторий атомов, проходящих сквозь другую прорезь.

Нарушение квантового потенциала в одном месте мгновенно преобразует его во всем пространстве! Хотя эту нелокальность нельзя использовать для передачи сигналов на скорости выше скорости света из-за неотъемлемой непредсказуемости ее влияния на каждую конкретную частицу, которую направляет квантовый потенциал, именно этот аспект подхода де Бройля – Бома многие находят неприятным.

Однако не стоит забывать, что квантовая механика нелокальна, какую бы интерпретацию мы ни выбрали. Дело лишь в том, что в копенгагенской интерпретации нелокальность считается очередным математическим свойством волновой функции, а следовательно, обречена на «нереальность». Ценой этому становится то, что определенные параметры атома тоже считаются нереальными (конечно, до проведения измерений). Физик Джон Белл, который был ярым сторонником идей Бома, всегда утверждал, что он охотнее распрощается с локальностью, чем с реальностью как таковой!

В интерпретации де Бройля – Бома нам больше не приходится думать о том, что атомы распространяются и проходят сквозь две прорези одновременно. Вместо этого они всегда предстают определенными, локализованными частицами. Но важно заметить, что мы можем лишь рассчитать вероятность обнаружения атома в определенном месте, используя волновую функцию точно так же, как раньше. Поэтому, несмотря на то что этот подход восстанавливает старую идею природного детерминизма, он не являет собой возвращение к ньютоновской механической вселенной. Мы в принципе не можем контролировать изначальные условия конкретной частицы, чтобы получить возможность предсказывать ее определенную траекторию, потому что любая подобная попытка приведет к изменению квантового потенциала. Иными словами, мы не можем заранее знать, сквозь какую из прорезей пройдет атом.

Кроме того, хотя эта интерпретация и гласит, что каждая частица следует реальной, определенной траектории, мы не можем этого доказать.

Так почему интерпретация де Бройля – Бома не получила широкого распространения? Ее сторонники по-прежнему составляют меньшинство среди физиков. Обычно ее обвиняют в том, что она работает только потому, что в ее основе лежит та же самая математическая теория, которая стала фундаментом копенгагенской интерпретации. Все остальное не имеет экспериментального смысла и основывается лишь на классическом предрассудке. Но даже сам Гейзенберг не смог раскритиковать ее сильнее, чем сказать, что она является «метафизической» и «идеологической».

Другие физики считают, что нет никакой необходимости в дополнительных комментариях о существовании квантового потенциала, и недовольны весьма заметной нелокальностью этой интерпретации. Например, в ЭПР-эксперименте, который я описывал в Главе 4, одна из двух частиц мгновенно оказывает влияние на свою далекую частицу-партнера посредством их объединенного квантового потенциала. Но Эйнштейн доказал, что коммуникация со скоростью выше скорости света невозможна. Так что, если квантовый потенциал действительно существует, квантовая механика должна вступать в противоречие с теорией относительности. Однако, как уже упоминалось ранее, на практике все не так плохо – даже если квантовый потенциал и существует, передачу сигналов на сверхсветовой скорости невозможно использовать для отправки сообщений из-за присущей отдельным квантовым измерениям вероятностной (то есть непредсказуемой) природы.

Возможно, на самом деле эта версия квантовой механики не стала стандартной исключительно в силу исторических причин. Так полагал американский физик Джим Кушинг, который утверждал, что копенгагенский подход до сих пор считается стандартным, потому что он появился первым и имел более влиятельных сторонников. В 1920-х годах его оппоненты (Эйнштейн, Шрёдингер и де Бройль) не были едины в своей критике. В связи с этим, как написал Кушинг[41]41
  James Т. Cushing. Quantum Mechanics: Historical Contingency and the Copenhagen Hegemony (University of Chicago Press, 1994).


[Закрыть]:

«копенгагенская интерпретация первой появилась на горизонте, и большинству практикующих физиков не было смысла ее вытеснять».

На самом деле теория Бома относится к классу интерпретаций, которые называют теориями «скрытых параметров», и представляет собой самый замысловатый из этих подходов. Упомянутые скрытые параметры связаны с более глубоким уровнем физической реальности, который скрыт от нас, но при этом таит в себе истоки квантовой неопределенности и неясности. В интерпретации де Бройля – Бома скрытыми параметрами являются определенные положения частиц. Следовательно, она отличается от копенгагенской интерпретации, так как утверждает, что квантовая частица обладает определенным положением и импульсом и до проведения измерений, но мы не можем получить доступ к значению этих величин. В таком случае принцип неопределенности становится лишь констатацией нашего неизбежного невежества.

В 1932 году математик Джон фон Нейман, казалось бы, предоставил математическое доказательство, которое ликвидировало возможность рассмотрения теорий скрытых параметров и поддерживало копенгагенскую точку зрения о том, что определенные свойства квантовых объектов нельзя считать существующими, пока мы их не измерим. Только много лет спустя физики обнаружили, что «доказательство» фон Неймана было неверным[42]42
  На самом деле Грета Герман указала на ошибку фон Неймана уже через три года после появления его теории, однако копенгагенская интерпретация к этому времени так прочно вошла в обиход, что никто, похоже, не обратил внимания на ее выкладки.


[Закрыть]. Если допустить существование нелокальности, нет никаких причин отказываться от основанной на объективной реальности интерпретации вроде теории Бома. Попытки устранить все теории скрытых параметров называются «доказательствами невозможности». Джон Белл утверждал, что «доказательствами невозможности доказывается лишь недостаток воображения». В последние годы, однако, физик Дэвид Мермин, который внес значительный вклад в развитие идей Белла, ответил на это, сказав, что «доказательствами возможного доказывается лишь переизбыток воображения».

Многомировая интерпретация

Через несколько лет после Бома другой американец по имени Хью Эверетт III предложил теорию, которую сам назвал «интерпретацией относительного состояния» (звучит довольно безобидно, правда?). Впоследствии ее стали считать самой диковинной и экстравагантной интерпретацией квантовой механики и в то же время самой прямолинейной ее интерпретацией, в зависимости от того, как посмотреть. На самом деле я и сам колеблюсь между двумя крайностями, то поражаясь, как кто-либо вообще может быть настолько глупым, чтобы уделять ей хоть толику внимания, то гадая, как, будучи в своем уме, вообще можно искать ей хоть какую-то альтернативу.

Интерпретация Эверетта, как и интерпретация де Бройля – Бома, свободна от проблемы измерения, которая терзает копенгагенскую версию. В отличие от подхода Бома, она не требует и физической нелокальности. Хотя декогеренция довольно успешно вписывается в две первых интерпретации, в подходе Эверетта и его современных вариантах она, как кажется (по крайней мере, мне), чувствует себя как дома. Что ж, пока все хорошо. Но не забывайте, что квантовая странность все равно должна хоть как-то себя проявить. Здесь она заключается в невероятном условии: мы должны жить в одной из бесконечного числа параллельных вселенных!

Что может вести к такому выводу? Такое впечатление, что чем более странной кажется формулировка интерпретации квантовой механики, тем больше у нее шансов на успех! Может, где-то своего часа ждет и другая интерпретация, в которой вся странность устраняется требованием допустить передачу сигналов в прошлое при проведении квантового измерения? Так, погодите-ка, ее уже открыли! Она называется транзакционной интерпретацией, и ближе к концу этой главы я скажу о ней пару слов. Но теперь вы понимаете, к чему я клоню. Псевдонаучные теории эпохи нью-эйдж, включая рассказы о мистической силе кристаллов и пирамид, меркнут в сравнении со столь разными, но в равной степени серьезными взглядами на то, как именно природа вершит свои дела на микроуровне.

Но вернемся к Эверетту. За годы его интерпретация приобрела целый ряд вариантов. Его оригинальная идея теперь называется многомировой интерпретацией, но существуют также интерпретация мультивселенной, интерпретация множественных историй и интерпретация множественных разумов. Первая мне нравится, вторую я не очень понимаю, а третья совсем не по мне.

Многомировое объяснение: существуют все возможные реальности. В каждой вселенной атом проходит сквозь свою прорезь, и две вселенные накладываются друг на друга только на уровне отдельного атома. В каждой вселенной атом чувствует присутствие своего параллельного двойника, который прошел сквозь другую прорезь. Суперпозиция, а следовательно, и интерференция, становятся результатом суперпозиции вселенных.

Основная идея заключается в следующем: когда квантовая система сталкивается с выбором, к примеру, когда частица проходит сквозь одну из двух или более прорезей, мы считаем, что не волновая функция оказывается в суперпозиции, а вся Вселенная вместе с ней расщепляется на несколько реальностей, количество которых равняется количеству возможных вариантов. Эти различные миры/вселенные/ветви идентичны друг другу и различаются только тем, какой вариант выбирает частица: в одной вселенной она проходит сквозь верхнюю прорезь, в другой – сквозь нижнюю. Вселенные накладываются друг на друга только в той области, где происходит интерференция, пока в дело не вступает декогеренция. Она заставляет их разделиться на независимые и не взаимодействующие друг с другом реальности. Вот и все. Процесса измерения больше нет, как нет и нужды в коллапсе волновой функции. Кот Шрёдингера оказывается мертвым в одной вселенной и живым – в другой. Будучи наблюдателями, мы тоже расщепляемся и видим лишь исход одной ветви. Но в параллельных вселенных остаются наши копии, которые наблюдают альтернативные исходы.

Хью Эверетт был разочарован и раздосадован недостатком поддержки его взглядов со стороны других физиков – и действительно, есть сведения, что, когда Эверетт посетил Бора в Копенгагене, тот лишь отмахнулся от него. Он ушел из физики и стал сначала специалистом по анализу оборонных проблем, а затем частным подрядчиком американской оборонной промышленности, в процессе чего и сколотил состояние, рассчитывая, как максимизировать количество жертв во время ядерной войны. Мило. Интерес к его работе в конце 1960-х годов снова проявил Брайс Девитт, который и ввел термин «многомировая интерпретация».

Оксфордский физик Дэвид Дойч, один из отцов-основателей сферы квантовых вычислений, предложил вариацию идеи Эверетта, в которой все возможные вселенные уже существуют, а потому им не нужно ждать встречи с квантовым выбором, чтобы расщепиться на части. Дойч также разработал тест собственной интерпретации, который требует разработки искусственного интеллекта. В ходе теста планируется проверить, имеет ли в таком случае место коллапс волновой функции, поскольку в многомировой интерпретации он не происходит.

Что еще есть на рынке?

С течением времени многие интерпретации дискредитировались или отбрасывались либо из-за крайне малой вероятности их верности, либо из-за получения новых, опровергающих их результатов экспериментов. К примеру, родственники подхода де Бройля – Бома, известные под общим названием теории локального реализма, оказались вычеркнуты из списка после проведения Аленом Аспе в начале 1980-х годов эксперимента, который подтвердил нарушение неравенства Белла (описанного в Главе 4). Точно так же сегодня вряд ли хоть кто-то всерьез считает, что для коллапса волновой функции необходимо сознание.

Среди ранних теорий выделялась статистическая интерпретация – что интересно, именно ее предпочитал Эйнштейн, – которая гласит, что квантовая механика дает информацию только о целом наборе измерений (идентичных квантовых систем), а не об одном отдельном измерении. Отсюда и отсылка к общей «статистике». Так как теперь эксперименты можно проводить на отдельных системах и даже на отдельных атомах, чтобы выжить, этой интерпретации требуются серьезные комментарии от небольшой группы ее последователей.

Недавно в списке интерпретаций появилось еще два пункта – транзакционная интерпретация и интерпретация последовательных историй. Первая, предложенная Джоном Крамером, своей значительной нелокальностью напоминает подход де Бройля – Бома. На самом деле нелокальность здесь даже более сильна: требуются не просто мгновенные коммуникации в пространстве, но коммуникации во времени! Открытие коробки с котом Шрёдингера отправляет в прошлое сигнал, который велит радиоактивному ядру распадаться или не распадаться.

Подход последовательных историй, который в основном обязан своим появлением изучающему частицы физику, лауреату Нобелевской премии Марри Гелл-Ману и его коллеге Джеймсу Хартлу, еще не получил широкого распространения, но уже привлек достаточно большое количество сторонников. Эта интерпретация сочетает волновые функции и вероятности последовательным образом, который не требует проведения измерений. Впервые эту трактовку в 1984 году предложил Роберт Гриффитс, а через несколько лет ее развил Роланд Омне. В соответствии с этой точкой зрения, «история» определяется как цепочка квантовых событий, последовательных во времени. Этот подход удачен тем, что он позволяет нам определять вероятности различных событий – к примеру, вероятность распада радиоактивного атома в конкретный момент времени, – даже если они происходят далеко в космосе, вдали от всех измерительных приборов.

Мне также стоит упомянуть, что существует несколько интерпретаций, основанных на теории динамической редукции[43]43
  Самая известная была предложена в 1986 году тремя итальянскими физиками – Гирарди, Римини и Вебером – и называется ГРВ-подходом. Еще одну предложил Роджер Пенроуз, который предположил, что гравитация может справиться с задачей коллапса волновой функции.


[Закрыть]. Эти подходы требуют некоторого дополнения, которое время от времени приводит к самостоятельному спонтанному коллапсу волновой функции (в отсутствие измерений). Хотя теорию можно согласовать со всеми известными наблюдениями, реальный физический механизм, вызывающий этот коллапс, пока неизвестен. Эксперименты ближайшего будущего проверят, происходит ли это на самом деле. Если это так, то квантовую механику потребуется модифицировать. Большинство физиков сходятся во мнении, что вероятность этого крайне мала.

Вверху: Транзакционное объяснение. Хотя эта интерпретация не помогает объяснить главную загадку, как атом проходит сквозь обе прорези одновременно, она делает попытку объяснить, как атом еще до прохождения сквозь прорези знает, наблюдают ли за ним. Достигая экрана или детектора, установленного возле одной из прорезей, атом посылает в прошлое сигнал, который определяет поведение приближающейся волны, веля ей либо проходить сквозь обе прорези и интерферировать, либо проходить лишь сквозь одну из прорезей.

Внизу: Объяснение суммы историй. Атом остается частицей, но одновременно изучает все возможные пути, какими бы невероятными они ни были. Сложенные вместе, все пути исключают друг друга, оставляя лишь один физический путь, по которому и следует атом. Но то, как именно пути исключают друг друга, зависит от количества вариантов; если обе прорези открыты, возможных путей больше, поэтому их исключение происходит иначе.