А это гады физики на пари
Раскрутили шарик наоборот.
Владимир Высоцкий
Около ста лет тому назад физикам открылся квантовый мир, изучение которого было сопряжено не только с риском для жизни – из-за радиоактивности использовавшихся во многих экспериментах веществ, но и с полной утратой здравого смысла. В микромире всё не так. Частицы в то же самое время являются волнами, размазанными по бесконечному пространству. А волны квантованы, т.е. не могут иметь произвольного (дробного) импульса энергии, но могут иметь определённые координаты и в принципе неопределяемый импульс. Присутствие наблюдателя изменяет поведение и свойства частиц/волн. На эти и многие другие квантовые фокусы хорошо смотреть из зала, аплодируя демонстрирующему их иллюзионисту. Но физики должны были объяснить необъяснимое и найти способы работы с этим невероятным, но многообещающим миром.
Со вторым физики справились. В 1926 году Эрвин Шрёдингер опубликовал серию из четырёх статей, в которых дал замечательный инструмент для расчётов квантовых эффектов – уравнение, получившее его имя. Физики отмечают, что предсказания, сделанные на основе этого уравнения, имеют точность, недостижимую в хорошо изученном макромире, т.е. мире окружающих нас вещей.
Но уравнение Шрёдингера имеет вероятностный характер: оно не даёт определённых значений параметров, а лишь указывает вероятность того или иного значения. Пока частиц много, этого достаточно – мы знаем, как распределятся свойства ансамбля частиц, а как поведёт себя та или иная из них, нам не важно. Но если мы исследуем поведение одной частицы, то вдруг выясняется, что нельзя сказать, будто с некоторой вероятностью она имеет одно значение, а иначе – другое. Частица одновременно находится во всех возможных состояниях – до того момента, когда это значение будет измерено. Кажется, что это утверждение противоречит само себе, ведь не измеряя, нельзя иметь суждение о состоянии частицы?
Оказывается, можно. Для иллюстрации приведём описание двухщелевого эксперимента, данное одним из отцов квантового компьютера, Сетом Ллойдом [2013, стр.121-123]:
«Если направить луч света на преграду, в которой проделаны две щели, и посмотреть на картину, которую свет создаёт на стене позади преграды, то мы увидим перемежающиеся светлые и тёмные полосы. Это – так называемая интерференционная картина… Полосы света возникают в тех местах, где пики и впадины волны от одной щели совпадают с пиками и впадинами волны от другой щели, а потому волны усиливаются. Это явление называют "положительной интерференцией". Темные полосы возникают там, где пики волны от одной щели совпадают с впадинами волны от другой щели. Две волны как бы уравновешивают друг друга – происходит "отрицательная интерференция". Если закрыть одну из щелей, интерференционная картина исчезнет, потому что не будет второй волны, которая бы накладывалась на волну, проходящую через оставшуюся прорезь. Чтобы возникла интерференция, волна обязательно должна пройти через обе щели сразу.»
Если двухщелевой эксперимент проводить над частицами, «никакой интерференции быть не должно, потому что каждая из частиц проходит только через одну щель. Интерференционная картина – это ведь волновой феномен: он возникает потому, что волны могут проходить и проходят через обе щели сразу». И всё же интерференция возникает и в этом случае: «частицы ведут себя как волны!» Более того, картина не изменяется, даже если на экран направлен одиночный электрон. «…эксперимент однозначно доказывает, что одна частица проходит через обе щели сразу, а это значит, что электрон, протон, фотон, атом могут находиться в двух местах одновременно».
То есть, как было сказано выше, они находятся сразу во всех возможных состояниях. Но самое интересное далее: «Предположим, в правую щель мы помещаем датчик. Датчик регистрирует присутствие или отсутствие частицы в щели, позволяя в то же время частице пройти через неё без изменений… Ой… интерференционная картина исчезла» [там же, стр. 124]. Это странное явление называют коллапсом волновой функции: измерение как бы "превращает" волну в частицу! Пока датчика не было, мы судили о состоянии частиц по следу на фотопластинке. Но чем след отличается от измерения датчиком?
Попытки объяснить квантовые эффекты не прекращаются, но до сих пор нет объяснения, которое удовлетворило бы всех. Классической считается "копенгагенская интерпретация", которая наряду с волновой функцией, описываемой уравнением Шрёдингера, привлекает для определения состояния частиц некое неопределённое измерение. Чем измерение отличается от "неизмерения" и как измерение в одной точке может без затрат времени изменить волновую функцию во всём пространстве, остаётся неясным. Сет Ллойд пишет: «как бы вы ни относились к квантовой механике, если попытка понять её вызывает у вас головокружение, это хороший знак» [там же, стр. 119].
В 1957 г. Хью Эверетт предложил многомировую интерпретацию квантовой механики, идея которой состоит в исключении необходимости как-то описывать коллапсы волновой функции, выходящие за пределы собственно квантовой механики. Он выдвинул концепцию расщепления и ветвления миров, заключающуюся в следующем: при любом акте измерения реально, с той или иной вероятностью, осуществляются все возможные исходы этого измерения. Но каждый вариант осуществляется в "своей вселенной". Поэтому находящийся в ней наблюдатель, произведя измерение, видит лишь один исход. Реально существуют (хотя и не взаимодействуют друг с другом) все решения волновых уравнений и все варианты состояния наблюдателя, отличающиеся находящимися в его памяти результатами измерений. Помимо теории мультиверса, как ещё называют концепцию Эверетта, есть ещё ряд интерпретаций квантовой механики, но наиболее популярны у физиков копенгагенская и многомировая. Впрочем, многие придерживаются тактики "заткнись и считай", - причём достоинством мультиверса называют именно его простоту и удобство для вычислений. Сколько бы там ни было вселенных, в нашей удобно считать так, как будто она – одна из многих.
А теперь почитаем книгу другого отца квантового компьютера, физика с не менее громким именем, Дэвида Дойча [2015, стр.17]. «Обычный электрический фонарик может производить весьма странные картины света и тени. При более внимательном рассмотрении можно увидеть, что они имеют необычные разветвления. Чтобы объяснить их, нужны не просто новые физические законы, а новый уровень описания и объяснения, выходящий за пределы того, что раньше считали научной сферой. Прежде всего, эти картины открывают существование параллельных миров. Как это возможно? Какая мыслимая картина теней может повлечь за собой подобные выводы?» Из этой цитаты можно понять, что Дойч – страстный сторонник теории мультиверса. Уже во второй главе книги он рассказывает о том же двухщелевом эксперименте, акцентируя внимание более на корпускулярных свойствах света, на его частицах - фотонах. Конечно, он пишет, что «свет искривляется так, что образует много ярких и темных полос без резких границ». Но о том, что интерференция связана с волновыми свойствами, Дойч не говорит. Он усложняет эксперимент, прорезая зачем-то ещё две щели. И только тут замечает, что возникновение дополнительных тёмных полос никак не объясняется корпускулярными свойствами света.
«Тень от четырех щелей представляет собой отнюдь не комбинацию двух слегка отдаленных друг от друга теней от двух щелей, а имеет новую и более сложную картину. В этой картине есть такие участки, как точка X. которая не освещена на картине тени от четырех щелей и освещена на картине тени от двух щелей…
Таким образом, появление еще двух источников света затемняет точку X. а их удаление снова освещает ее. Каким образом? Можно представить два фотона, направляющиеся к точке Х и отскакивающие друг от друга как бильярдные шары. Только один из фотонов мог бы попасть в точку X, но они мешали друг другу, и потому ни один из них туда не попал. Скоро я покажу, что это объяснение не может быть истинным. Тем не менее, основной идеи избежать невозможно: через вторую пару щелей должно проходить что-то, препятствующее попаданию света из первой пары щелей в точку X. Но что? Это мы можем выяснить с помощью дальнейших экспериментов» [там же, стр.21].
Обещанные эксперименты состоят в закрывании и открывании щелей, уменьшении числа фотонов так, чтобы они проходили прорези по одному, не взаимодействуя друг с другом и размещении в прорезях детекторов, чтобы убедиться, что один фотон не расщепляется на части, чтобы пройти через две щели. После этого Дойч пишет: «Мы обнаружили, что когда один фотон проходит через этот аппарат, он проходит через одну щель, затем что-то воздействует на него, заставляя отклониться от своей траектории, и это воздействие зависит от того, какие еще щели открыты;
воздействующие объекты прошли через другие щели;
воздействующие объекты ведут себя так же, как фотоны ..., ... но они не видимы» [там же, стр.22].
И затем делается вывод, что «…частицы группируются в параллельные вселенные. Они "параллельны" в том смысле, что в пределах каждой вселенной частицы взаимодействуют друг с другом так же, как в реальной вселенной, но воздействие, оказываемое каждой вселенной на остальные, весьма слабое, и проявляется оно через явление интерференции» [там же, стр.24]. Заметим, что Дойч мог, как и Ллойд, рассмотреть двухщелевой эксперимент с одиночными фотонами и быстрее прийти к тому же выводу – "воздействующие объекты" появляются не из-за обилия щелей.
Но давайте, как призывает Дойч, «подойдём к рассмотрению этого вопроса критически» [там же стр.22]. Мы должны предположить, что фотоны приходят из очень похожих вселенных, в них такой же лазер направлен на такие же щели, фотоны проходят через них и поглощаются такими же ионами серебра на фотопластинках. Эти опыты проводят наши двойники. Но, если интерференция возникает благодаря фотонам из таких миров, то почему она пропадает в момент измерения? В этот момент изменяется конфигурация мультиверса, появляются, как утверждает многомировая теория, множество новых вселенных, но что мешает уже установившемуся взаимодействию? Здесь требуется дополнительная гипотеза о "распараллеливании" миров в момент измерения. Обратим внимание, что точные копии нашего мира, столь мало отличающиеся от него, что порождают устойчивую интерференционную картину, должны существовать не после, а до измерения. И пропадать в его результате.
Не знаю, правда, зачем понадобилось присутствие посланцев иных миров в нашем. Гораздо проще было бы сказать, что интерференция в силу волновых свойств существует всегда, но измерение создаёт отдельный мир для каждой траектории волны-частицы, и наш мир с ними уже никак не взаимодействует.
Но, если в копенгагенской интерпретации смущает моментальность коллапса одной волновой функции, то в многомировой моментально делится целая вселенная. А в разных её местах, в разных инерциальных системах, а, следовательно, и в разных временах происходит множество измерений, каждое из которых должно наштамповать кучу новых миров.
Голова кружится? Замечательно. Нет? Тогда добавьте ещё эффект спутанных частиц.
В книге Дэвида Дойча много интересного. Трудно не согласиться с его критикой позитивизма и инструментализма, редукционизма и холизма. Автор убедительно доказывает, что нельзя полагать, что очевидное – истинно. Увы, то, что очевидно в квантовом мире для него, совершенно не убедительно для меня.
Сет Ллойд упоминает ещё «"многоисторийную" интерпретацию квантовой механики, предложенную Гелл-Манном и Хартлом. В этой интерпретации квантовая механика поддерживает наборы декогерентных историй так, как описано выше [т.е. они существуют, не оказывая никакого влияния ни на что – В.К.]. В реальности реализуется только одна история из этого набора. Остальные истории соответствуют недоступным частям волновой функции. Эти истории соответствуют возможным событиям, которые на самом деле не произошли. (Или, как сказал бы Дэвид Дойч, не произошли в этом мире.)» [Ллойд, стр. 144-145]. Но где и как долго существуют нереализованные истории? Возможно, речь о том же варианте многомировой интерпретации без взаимодействий, которую выше описал и я?
И здесь же Ллойд замечает: «На мой взгляд, многомировая интерпретация не вполне честно используют выражение "на самом деле". Обычно люди используют фразу "на самом деле", чтобы описать то, что происходит в реальности: я на самом деле написал эти слова, и вы на самом деле их читаете. Есть другие части волновой функции, где я написал что-то другое, а вы смотрите телевизор. Но эти части волновой функции не соответствуют тому, что произошло на самом деле» [там же].
А может быть, всё проще?
Давайте вспомним, что рост энтропии связан со стрелой времени. С другой стороны, энтропия связана с вероятностью. А о вероятности (и, следовательно, об энтропии) можно говорить только там, где есть статистически значимая повторяемость. Если мы рассматриваем поведение одной частицы в небольшом интервале, достаточной повторяемости, вероятности и энтропии быть не может. Но, следовательно, не фиксировано и направление времени? Здесь речь может идти об интервале между двумя достаточно массовыми взаимодействиями, в которых участвует много частиц, что порождает энтропию и делает их необратимыми. Например, фотон от момента излучения до момента поглощения или взаимодействия с детектором может тестировать все возможные траектории, проходя по каждой из них в разных направлениях тем чаще, чем более она вероятна. Фотон, поглощённый ионом серебра на фотопластинке экрана, может туда попасть через любую из доступных щелей, и, взаимодействуя с другими своими траекториями, попадает только в зоны положительной интерференции. Если же в одной щели происходит взаимодействие с детектором, диапазон тестирования траекторий разбивается этим взаимодействием: от излучения до детектора; от детектора до экрана; от излучателя до экрана через другие щели. Не знаю сохранится ли интерференция,если детектор стоит в одной щели из трёх,? Должна бы быть картина, соответствующая интерференции через две другие щели плюс полоса от детектируемой.
Время на тестирование не расходуется, поэтому коллапс волновой функции также проходит вне времени. Спутанность частиц сохраняется только до взаимодействия их с чем-либо, что тоже укладывается в гипотезу тестирования: как бы далеко мы их не разнесли, они могут проделать этот же путь (с возможными отклонениями) многократно, в прямом и обратном времени, сохраняя связь между собой.
Весь мир состоит из волн-частиц. Когда исследуемая одиночная частица взаимодействует с измерителем любого рода, с квантовой точки зрения происходит спутывание её с электронами ионами или атомами измерителя. И физики-теоретики начинают изобретать парадоксы, в которых действуют даже спутанные экспериментаторы. В моём представлении вся квантовая неопределённость связана с неопределённостью направления времени в микромире и пропадает там, где есть массивные тела или мощные потоки энергии, то есть там, где множественные взаимодействия порождают энтропию, фиксирующую стрелу времени.
Я не физик, и не настаиваю на своей "гипотезе тестирования". Возможно, вам известно другое объяснение квантовым парадоксам? С удовольствием ознакомлюсь.
Моя почта v_kononov@mail.ru,
Страница Facebook: https://www.facebook.com/valentin.kononov.3
Литература:
Сет Ллойд, 2013, «Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки», М., Альпина нон-фикшн.
Дэвид Дойч. 2015, «Структура реальности», М., Альпина нон-фикшн.