Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

у вас много, вероятность обнаружения каждого варианта при проверке отдельного электрона составляет (при прочих равных условиях) 50/50. Нет никакого корпускулярно-волнового дуализма, нет суперпозиции и нет никаких мертвых-и-живых котов. Конечно, трудно было бы сто или более раз провести эксперимент с использованием одного и того же кота, но если проделать это с сотней котов по очереди, то, согласно ансамблевой интерпретации, половина из них выживет, а половина умрет, но ни один кот не окажется в суперпозиции.

Звучит соблазнительно. Вот он, здравый смысл. Но, как указал Юэн Сквайрз, мы не можем «утверждать, что решили проблемы [интерпретации]. Мы их просто проигнорировали… отдельные системы существуют». Но как это должно работать на практике? Как часто бывает в квантовой теории, во́ды заметно мутнеют при попытке понять, что происходит, когда систему (в данном случае ансамбль) исследуют или когда она каким-то иным образом взаимодействует с внешним миром. Подготовление системы предусматривает некоторое участие случайности, а наблюдение за ней добавляет еще один слой случайности. Мы вновь стоим перед проблемой определения, где заканчивается система и начинается внешний мир (как в случае с запутанностью, которая распространяется на всю Вселенную в интерпретации с декогеренцией). Примером такого взаимодействия с внешним миром, который иногда приводят в поддержку ансамблевой интерпретации, может служить так называемый эксперимент с «чайником под наблюдением».

Ключ к этой идее состоит в том, что, хотя уравнения квантовой физики описывают вероятность обнаружения системы в том или ином состоянии, они ничего не говорят о том, как системы совершают переход из одного состояния в другое. В уравнениях нет ничего, что описывало бы схлопывание волновой функции. И ни один эксперимент ни разу не зафиксировал ни одной волновой функции в процессе схлопывания. Еще в 1954 г. Алан Тьюринг указал, что квантовая система, за которой постоянно «наблюдают», никогда не изменится. Он писал:

Несложно показать при помощи стандартной теории, что, если некую систему начинают наблюдать в собственном состоянии (eigenstate)[19] некоторого наблюдаемого и измерения этого наблюдаемого проводятся N раз в секунду, тогда, даже если состояние системы не стационарно, вероятность того, что она, скажем, через одну секунду будет находиться в том же состоянии, стремится к единице по мере того, как N стремится к бесконечности; то есть непрерывные наблюдения будут препятствовать всякому движению[20].

Физики по-разному пытаются это объяснить. Вот одна из версий. Представьте себе систему во вполне определенном состоянии с волной вероятности, распространяющейся наружу и постепенно повышающей вероятность обнаружения этой системы в некотором ином состоянии. Если подождать подольше, то — взгляните-ка! — вы, вероятно, сможете увидеть ее в другом состоянии. Но если вы бросите на нее взгляд очень быстро, то у вероятности просто не будет времени на изменения и система останется в том же состоянии. Она не может находиться в промежуточном состоянии, потому что промежуточных состояний не существует. Значит, волне придется начать распространение заново, с той же позиции. Смотрите на систему достаточно часто — и она никогда не изменится. Квантовый «чайник» никогда не закипит, если вы будете все время на него смотреть. Так предсказывал Тьюринг, и его предсказание уже проверено экспериментально.

Все такие эксперименты содержат вариации одной темы. Как правило, «чайник» представляет собой несколько тысяч ионов какого-нибудь элемента, например бериллия, захваченных электрическим и магнитным полями. Ион — это атом, лишенный одного или нескольких электронов и получивший в результате положительный заряд, благодаря чему им легко манипулировать при помощи таких полей. Ионы заранее подготовлены в таком энергетическом состоянии, из которого они «хотят» уйти, опустившись на более низкий энергетический уровень. За состоянием системы можно наблюдать при помощи хитроумной методики с применением лазеров, позволяющей определить, сколько ионов перешло в основное состояние за некоторый промежуток времени.

В одном типичном эксперименте через 128 мс оказалось, что в основное состояние перешла половина ионов. Если лазер «смотрел» на систему через 64 мс после начала, то перешедшими в основное состояние оказывалась лишь четверть ионов. Если же лазер вспыхивал каждые 4 мс и проверял систему 64 раза за 256 мс, то через этот промежуток времени оказывалось, что почти все ионы находятся в своем исходном состоянии. В категориях вероятностей, соответствующих нашей волновой функции, этот отказ «закипать» объясняется тем, что через 4 мс вероятность того, что некий ион уже перешел в основное состояние, составляет всего 0,001 %, так что 99,99 % ионов должны по-прежнему оставаться на уровне 1. И это верно для каждого интервала в 4 мс. Чем короче интервал между наблюдениями, тем сильнее описанный эффект. Волновые функции никогда не схлопываются, если за ними наблюдают. Тогда почему мы должны считать, что они вообще схлопываются? Бэллентайн утверждает, что они этого и не делают и что описанное выше явление — экспериментальное свидетельство в пользу ансамблевой интерпретации.

Однако у ансамблевой интерпретации есть одна серьезная проблема. Она явным образом утверждает, что волновая функция не применима к отдельным квантовым объектам и что никакой суперпозиции состояний не существует. Но экспериментаторы сегодня спокойно, в рабочем порядке манипулируют отдельными квантовыми объектами, например электронами, в ситуациях (таких как квантовые вычисления), где они, кажется, следуют описанию волновой функции, а кольцо SQUID вроде бы способно демонстрировать единичный макроскопический квантовый объект (электронная волна бежит по нему одновременно в обоих направлениях), находящийся в суперпозиции.

Прежде я думал, что это смертельный удар для идеи ансамблевой интерпретации, но Ли Смолин оживил ее в новом воплощении.

Новая версия ансамблевой интерпретации (АИ) включает концепцию нелокальности, которая, как уже экспериментально показано, является ключевым свойством Вселенной. Эйнштейна, вероятно, не обрадовали бы такие метаморфозы интерпретации, которую он поддерживал. Но Смолину они так нравятся, что он, ничуть не смущаясь, величает свою версию настоящей ансамблевой интерпретацией (НАИ). Ключевое отличие состоит в том, что если в традиционной АИ члены ансамбля не могут существовать все одновременно, то в версии Смолина они одновременно реальны. Чтобы сказать это короче и по существу, нам следует добавить одно жаргонное словечко, которым пользуются физики. Возможные квантовые компоненты ансамбля (скажем, атомы водорода) они называют «биэйблы» (от be able — мочь, иметь возможность), потому что это объекты, которые могли бы в принципе существовать. Но, как в случае с выбрасыванием одной игральной кости 600 раз вместо броска 600 костей сразу, все они не обязаны существовать одновременно. Концепция, которую из уважения к Смолину я буду называть НАИ, гласит: все биэйблы, составляющие ансамбль, на самом деле существуют в природе одновременно, как 600 игральных костей, которые бросают вместе, а не как одна кость, которую бросают 600 раз подряд. Любую