Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

Энтони Леггетт.

Tony Evans/Timelapse Library Ltd./Getty Images.

Суперпозиция и запутанность — две стороны одной монеты. Когда две «частицы» взаимодействуют, они становятся запутанными, и с этого момента все, что происходит с одной из них, влияет на другую. По существу, они становятся единым объектом. Точно так же волну, бегающую по кольцу SQUID одновременно в обоих направлениях, можно считать двумя волнами в суперпозиции, запутанными между собой. Результат этого — единый квантовый объект, волна, бегущая по кольцу не в одном направлении, а в двух сразу. Неудивительно, что интерпретация с декогеренцией появилась только в 1980-х гг., одновременно с экспериментами, установившими, что запутанность — верное описание способа функционирования нашего мира.

Что же на самом деле происходит, когда «чистый» квантовый объект взаимодействует с внешним миром и «декогерирует»? Он становится не менее, а более запутанным. Представьте себе одиночную частицу в чистом квантовом состоянии. Стоит ей рассеяться на другой частице (или хотя бы вступить во взаимодействие с фотоном света), как она становится запутанной. Если любой из двух запутанных объектов взаимодействует с третьим, все три становятся запутанными, а их квантовые состояния оказываются в суперпозиции. Запутанность распространяется, что называется, быстрее лесного пожара. На практике просто не существует такой вещи, как «чистая» квантовая система, отделенная от внешнего мира (разве что в совершенно особых обстоятельствах, таких как эксперименты со SQUID’ами), а существует запутанная система того и другого, суперпозиция всего, что когда-либо взаимодействовало с первоначальной частицей, и всего, с чем она когда-либо взаимодействовала, а также всего, с чем все это когда-либо взаимодействовало или контактировало. Декогеренция на самом деле означает связывание всего сущего в мире — во Вселенной — в единую квантовую систему. Мы уже не наблюдаем квантовости некогда изолированной частицы, потому что она смешалась со всем остальным. Из-за результирующей некогерентности чрезвычайно трудно разобраться в фундаментальной квантовости всего, кроме простейших систем. Математики расскажут, что в принципе это возможно, поскольку уравнения, описывающие квантовый мир, обратимы во времени. Но не стоит, затаив дыхание, ждать, что кто-нибудь попробует это проделать.

Как отметил Филип Болл, декогеренция очень быстро приводит к некогерентному состоянию, эквивалентному суперпозиции такого числа квантовых состояний, которое превышает число элементарных частиц в наблюдаемой Вселенной. Болл задал вопрос: «Можно ли объявить задачу строго нерешаемой только потому, что во Вселенной недостаточно информации для ее решения?»[16] Также Болл привел некоторые оценки времени, необходимого системе для декогеренции. У крупных объектов декогеренция проходит быстрее, потому что в них больше кусочков, способных взаимодействовать с другими объектами и друг с другом. У пылинки, плавающей в воздухе и бомбардируемой окружающими молекулами, декогеренция занимает меньше времени, чем нужно фотону, движущемуся со скоростью света, чтобы пройти расстояние, эквивалентное диаметру протона. Даже в межзвездном пространстве пылинка, плавающая свободно и взаимодействующая только с фотонами реликтового излучения, декогерирует примерно за секунду. «Для всех практических целей декогеренция мгновенна и неизбежна». Это относится и к знаменитому коту Шрёдингера. Чтобы быть «одновременно мертвым и живым», этот кот должен быть «подготовлен» в некоем почти невероятном когерентном состоянии чистой квантовости. Одно дело — подготовить в чистом квантовом состоянии SQUID, и совсем другое — проделать это с котом. А если вам это удастся, то квантовый кот декогерирует либо в мертвого, либо в живого кота быстрее, чем декогерирует плавающая в воздухе пылинка.

Это также лишает основания одно из философских возражений против копенгагенской интерпретации. Если воспринимать ее буквально, КИ утверждает, что «ничто не реально», если его не наблюдают или не измеряют. Допустим, кот в ящике может существовать в суперпозиции состояний. Но тогда, спрашивают оппоненты этой идеи, существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит, или все это время она находится в суперпозиции всех возможных квантовых состояний? Существовала ли она в этом смысле до возникновения жизни на Земле? У Бора не было удовлетворительных ответов на эти вопросы. Интерпретация с декогеренцией их дает — фотонов реликтового излучения, не говоря уже о солнечном свете, вполне достаточно, чтобы вызвать декогеренцию и сделать Луну «реальной».

Однако это еще не конец истории. Нашлись люди, которые, вместо того чтобы использовать идею декогеренции только в ситуации «здесь и сейчас» (что бы это «здесь и сейчас» ни значило в запутанной Вселенной), решили применять этот способ мышления ко всей истории — или ко всем историям — Вселенной. В результате то, что прежде было самостоятельной интерпретацией — интерпретацией непротиворечивых историй, стало интерпретацией декогерентных историй. Но я начну с того места, где речь идет о «непротиворечивости».

В основе лежит идея о том, что мы знаем о квантовом мире (или мире вообще) лишь то, что можем увидеть и измерить. До проведения эксперимента или измерения мы можем только вычислить вероятность различных его исходов. Но стоит провести измерение — и мы получаем определенный результат, в некотором смысле выбранный из множества возможных вариантов. Аргументация подхода, связанного с непротиворечивыми историями, состоит в том, что, каким бы ни был результат измерения, то есть что бы ни произошло в мире, — все это должно быть согласовано с прошлым, с историей. Когда мы смотрим на интерференционную картину, полученную в эксперименте с двумя отверстиями, все, что мы можем сказать точно, — это что узор на экране согласуется с тем, что волны прошли через отверстия и проинтерферировали между собой. Когда свет выбивает электрон из поверхности металла, мы можем сказать лишь, что это согласуется с тем, что свет пришел в форме фотона.

Космологические следствия всего этого широко обсуждались в ученом сообществе, в дискуссии, в частности, участвовали Стивен Хокинг и его коллеги. Хокинг описал традиционный подход к пониманию Вселенной в квантовых терминах как анализ «снизу вверх». Вы начинаете с попытки догадаться, как в самом начале могла выглядеть Вселенная, будучи суперпозицией волновых функций, а затем пытаетесь разобраться, как она перешла в то состояние, в котором мы видим ее сегодня. Сам Хокинг предпочитал альтернативный подход «сверху вниз», при котором вы начинаете с сегодняшнего состояния Вселенной и шаг за шагом, согласованно, двигаетесь по пройденному ею пути в прошлое, пытаясь определить, какие волновые функции внесли свой вклад в ее возникновение.

Проблема в том, что может найтись (и обычно находится) более чем один уникальный путь, способный привести к наблюдаемому результату, — непротиворечивых историй оказывается больше одной. Не существует единственной уникальной «истории Вселенной», которую можно было бы восстановить таким образом. Если в электронной версии эксперимента с двумя отверстиями какой-то электрон достигает определенной