Книга: Вселенная

Глава 21 Интерпретация квантовой механики

Глава 21

Интерпретация квантовой механики

Во всей квантовой механике нас наиболее беспокоит тот факт, что в этой теории вообще появляется слово «наблюдатель».

Как бы то ни было, что есть «наблюдение» и «наблюдатель»? Считается ли «наблюдателем» микроскоп, либо микроскоп считается только при условии, что в него смотрит человек, обладающий сознанием? А как насчёт белки? А видеокамеры? Что, если я лишь мельком взгляну на предмет, но не буду внимательно его рассматривать? В какой именно момент происходит «коллапс волновой функции»? (Чтобы вас не томить, сразу упомяну, что почти никто из современных физиков не думает, что «сознание» хоть каким-то образом связано с квантовой механикой. Есть немногочисленные диссиденты, которые действительно так считают, но это крошечное меньшинство, несопоставимое с «мейнстримом».)

Все эти проблемы вместе известны как квантовомеханическая проблема измерения. Физики уже несколько десятилетий ломают над ней голову, но пока так и не пришли к общему мнению о том, как к ней подступиться.

Идеи есть. Один вариант — предположить, что, хотя волновая функция и играет важную роль в прогнозировании результатов экспериментов, на самом деле она не отражает физической реальности. Может быть, наряду с волновой функцией существует более глубокий уровень описания мира, в контексте которого такое развитие в принципе будет совершенно предсказуемым. Такая возможность иногда именуется подходом со «скрытыми параметрами», поскольку предполагает, что наилучший способ описания состояний квантовой системы пока ещё не открыт. Если такая теория верна, то она должна быть нелокальной — элементы системы должны непосредственно взаимодействовать с элементами, находящимися в других точках пространства.

Ещё более радикальный подход — просто отрицать существование базовой реальности. Такой метод в квантовой механике называется антиреалистическим, поскольку в нём теория считается всего лишь учётным инструментом для прогнозирования результатов будущих экспериментов. Если спросить антиреалиста, какой аспект нашей Вселенной описывают эти знания, он ответит, что такой вопрос не имеет смысла. Он считает, что нет никакой базовой «материи», которую описывала бы квантовая механика; мы можем говорить только о результатах измерений при экспериментах.

Антиреализм на первый взгляд слишком драматичный шаг. Однако именно за антиреализм, по-видимому, выступал столь авторитетный человек, как Нильс Бор, дедушка квантовой механики. Писали, что он придерживался таких взглядов: «Квантового мира не существует. Есть только абстрактное физическое описание. Неверно полагать, что задача физики — выяснить, какова природа на самом деле. Физика занимается тем, что мы можем сказать о природе».

Вероятно, наибольшая проблема антиреализма заключается в том, что сложно себе представить, как можно придерживаться такой позиции, не впадая в противоречия. Одно дело — сказать, что мы не полностью понимаем природу; другое дело — утверждать, что никакой природы вообще не существует. Кроме того, а кто именно это утверждает? Даже Бор в вышеприведённой цитате упоминает о том, что мы «можем сказать о природе». Вероятно, он подразумевал, что нечто под названием «природа» существует, раз мы можем о ней говорить.

* * *

К счастью, этим наши варианты не исчерпываются. Простейшая возможность заключается в том, что квантовая волновая функция вообще не является ни «инструментом учёта», ни одним из разнообразных квантовых параметров; волновая функция просто непосредственно отражает реальность. В то время как Ньютон или Лаплас могли представлять себе мир как совокупность положений и скоростей частиц, современный квантовый теоретик может считать мир волновой функцией. И всё, точка.

Сложность, связанная с таким грубым вариантом безыскусного квантового реализма, заключается в проблеме измерения. Если всё на свете — просто волновая функция, то из-за чего состояния «схлопываются» и почему акт наблюдения так важен?

В 1950-е годы одно решение описал молодой физик по имени Хью Эверетт III. Он предположил, что существует всего один вариант квантовой онтологии — волновая функция — и единственный путь её развития — в соответствии с уравнением Шрёдингера. Не существует никакого «схлопывания», никакого фундаментального разделения между системой и наблюдателем, наблюдение вообще не играет никакой особой роли. Эверетт провозгласил, что квантовая механика замечательно согласуется с детерминистским лапласовским представлением о мире.

Тем не менее если это так, то почему нам кажется, что волновые функции «схлопываются» при наблюдении? Сейчас говорят, что этот фокус связан с особым свойством квантовой механики, так называемой запутанностью.

Классическая механика позволяет считать, что каждый отдельный элемент мира обладает своим собственным состоянием. Земля вращается вокруг Солнца строго по своей орбите с определённой скоростью, а у Марса и орбита, и скорость другие. Квантовая механика всё описывает иначе. Не существует отдельных волновых функций для Земли, для Марса и для всех остальных объектов в пространстве. Есть всего одна волновая функция, охватывающая сразу всю Вселенную, — без ложной скромности мы именуем её «волновой функцией Вселенной».

Волновая функция — это просто числовое значение, которое мы присваиваем любому возможному результату измерения, такому как положение частицы. Это число сообщает, с какой вероятностью мы можем получить такой результат измерения. Вероятность получается путём возведения волновой функции в квадрат; это знаменитое правило Борна, названное в честь знаменитого немецкого физика Макса Борна. Итак, волновая функция Вселенной позволяет присвоить числовое значение любому возможному варианту распределения объектов в пространстве. Одно число соответствует «Земля здесь, Марс там», другое «Земля уже вот здесь, а Марс ещё в каком-то месте».

Таким образом, состояние Земли может быть запутано с состоянием Марса. В случае с макроскопическими объектами, такими как планеты, такая возможность не может быть продемонстрирована, но с крошечными элементарными частицами запутанность случается постоянно. Допустим, у нас есть две частицы — Алиса и Боб, каждая из которых может вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Волновая функция Вселенной позволяет присвоить 50-процентную вероятность тому, что Алиса будет вращаться по часовой стрелке, а Боб — против часовой, и также 50-процентную вероятность тому, что Алиса станет вращаться против часовой стрелки, а Боб — по часовой. Мы не представляем, какой результат получим, измерив спин любой из частиц, но знаем, что как только измерим спин одной из них, другая определённо будет вращаться противоположным образом. Это происходит потому, что две частицы запутаны друг с другом.

Эверетт считает, что мы должны буквально воспринимать формализм квантовой механики. Дело в том, что волновой функцией описывается не только та система, которую вы собираетесь наблюдать, но и вы сами. Это означает, что вы можете быть в суперпозиции. Когда вы измеряете частицу, чтобы проверить, вращается она по часовой стрелке или против часовой стрелки, то, по мнению Эверетта, волновая функция не схлопывается, приводя к одному или другому результату. Она плавно переходит в запутанную суперпозицию, которая заключает в себе оба варианта: во-первых, «частица вращалась по часовой стрелке» и «вы видели, как частица вращается по часовой стрелке», а во-вторых, «частица вращается против часовой стрелки» и «вы видели, как частица вращается против часовой стрелки». Обе части суперпозиции действительно существуют, продолжают существовать и развиваться в полном соответствии с уравнением Шрёдингера.

Наконец-то появляется вариант окончательного ответа на критический онтологический вопрос: «Что же в самом деле представляет собой мир?». Мир — это квантовая волновая функция, по крайней мере до тех пор, пока мы не найдём теорию получше.

* * *

Минималистическая трактовка квантовой механики Эверетта — есть только волновые функции и плавная эволюция, никаких новых переменных, непредсказуемых коллапсов или отрицания объективной реальности — была названа «многомировой интерпретацией». Две части волновой функции Вселенной, в одной из которых вы видите, как частица вращается по часовой стрелке, а в другой — против часовой, впоследствии продолжают развиваться совершенно независимо друг от друга. В будущем между ними отсутствует какая-либо коммуникация или интерференция. Всё дело в том, что и вы, и частица оказываетесь в состоянии запутанности со всей остальной Вселенной — этот процесс именуется декогеренцией. Различные части волновой функции представляют собой разные «ответвления», поэтому удобно говорить, что они описывают разные миры. По-прежнему существует всего один «мир», в смысле «естественный мир», описываемый волновой функцией Вселенной, но у этой волновой функции множество ответвлений, и они развиваются независимо друг от друга, поэтому давайте называть их «мирами». Наш язык не слишком удобен для описания физики.

Эвереттовская многомировая интерпретация квантовой механики во многом привлекательна. С онтологической точки зрения она экономична и эффективна; в ней есть всего одно квантовое состояние и одно уравнение, описывающее развитие системы. Она совершенно детерминистична, хотя отдельно взятый наблюдатель и не может сказать, в каком мире находится, пока не посмотрит на него. Поэтому в тех прогнозах, которые делает человек, неизбежно присутствует некоторый вероятностный компонент. В данном случае мы без труда можем объяснить такие вещи, как измерительный процесс, причём для выполнения таких измерений абсолютно не требуется участия сознающего наблюдателя. Всё вокруг — просто волновая функция, а все волновые функции развиваются единообразно.

Разумеется, существует бесчисленное количество Вселенных.

Многие возражают против многомировой интерпретации, так как им просто не нравится идея обо всех этих Вселенных. Особенно о Вселенных, недоступных для наблюдения, — согласно теории, они существуют, но нет никакого реального способа когда-либо их увидеть. Это не очень рациональное возражение. Если наша наилучшая теория прогнозирует, что нечто является истинным, то мы должны присвоить такой истинности относительно высокую субъективную вероятность по Байесу, пока у нас не появится теория получше. Если вам неуютно думать о множестве Вселенных, либо вы априори относитесь к этой идее негативно, то во что бы то ни стало постарайтесь выработать более точную формулировку квантовой механики. Однако негативное ощущение — не принципиальная позиция.

Чтобы примириться с многомировой интерпретацией, важно понять, что эта гипотеза не начинается с формального представления квантовой механики, к которому затем добавляется подозрительно большая Мультивселенная. Формальное представление уже допускает существование всех этих Вселенных, как минимум потенциально. Квантовая механика описывает отдельные объекты как суперпозиции различных результатов измерений. Волновая функция Вселенной автоматически допускает возможность, что вся Вселенная находится в такой суперпозиции, которую мы далее начинаем трактовать как «множество миров». Все остальные версии квантовой механики только тем и занимаются, что пытаются избавиться от множественности миров, — для этого меняется динамика, добавляются новые физические параметры либо отрицается существование реальности как таковой. Но такие теории не дают никакого выигрыша в объяснении или прогнозировании явлений, а также без надобности подменяют простую структуру более сложной — по крайней мере, так считают сторонники Эверетта.

Это не означает, что у нас нет веских причин скептически относиться к эвереттовской квантовой механике. По Эверетту, разветвление волновой функции в разные параллельные миры — это не объективное явление, а просто удобный способ рассуждения о базовой реальности. Но по какому именно признаку лучше всего проводить границу между Вселенными? Почему мы наблюдаем эмерджентность реальности, которая хорошо аппроксимируется законами квантовой механики? Это совершенно оправданные вопросы, но сторонники многомировой интерпретации считают, что вполне могут на них ответить.

Говоря об общей картине, из этой дискуссии следует сделать два важных вывода. Во-первых, хотя мы пока не вполне представляем, как работает квантовая механика на фундаментальном уровне, мы не знаем о ней ничего такого, что однозначно развенчивало бы детерминизм (будущее всегда проистекает из настоящего), реализм (существует объективный реальный мир) или физикализм (мир — чисто физический). Все эти свойства ньютоновской/лапласовской Вселенной, напоминающей часовой механизм, вполне могут оставаться истинными и на уровне квантовой механики — но пока мы в этом не уверены.

Другой важный вывод применим ко всем интерпретациям квантовой механики: наблюдаемая нами картина мира очень отличается от складывающегося у нас описания ненаблюдаемого мира. По мере того как на протяжении веков человек приобретал новые знания, мы были вынуждены радикально реорганизовывать наши планеты убеждений, чтобы соотнести их с новыми представлениями о физической Вселенной, и квантовая механика — определённо одна из таких переделок. В некотором смысле она является окончательной унификацией: оказывается, на глубочайшем уровне реальности не просто нет таких вещей, как «горы» и «океаны», — там нет даже «электронов» и «фотонов». Есть только квантовая волновая функция. Всё остальное — условные описания.