Настоящая фантастика – 2013 (сборник) - Андрей Бочаров

1. Проблема измерения в квантовой физике. Редукция фон Неймана и коллапс волновой функции.

Для того чтобы вы правильно понимали, о чём пойдёт речь, нам придётся вспомнить азы квантово-механических представлений. Для этого я параллельно буду рассказывать о, например, легковых автомобилях. Представьте, что вы выбираете машину. Перед вами каталог. В каталоге фотографии машин всевозможных фирм и моделей, их технические характеристики и, конечно, цены. Так вот, с позиции квантовой механики, каждая позиции в каталоге – это «состояние». А процедура выбора машины – акт измерения.

Но, в отличие от каталога, наши возможности измерений в микромире существенно ограничивает принцип неопределённости Гейзенберга. По-научному это звучит жутковато: «произведение стандартных отклонений измерений двух сопряжённых переменных состояния не может быть меньше константы». Или проще: нельзя точно измерить одновременно, например, скорость и координаты частиц. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше будет ошибка в измерении координат, и наоборот.

Мы видим, что измерение в квантовой физике – дело особое, раз квантовый физик и полицейский не могут понять друг друга, – и о нём-то мы сейчас поговорим подробнее. Дело в том, что любая квантовая система, сама по себе, то есть которую мы НЕ измеряем, никогда не находится в одном определённом состоянии. Она оказывается вещью в себе, пребывающей в нескольких состояниях одновременно. Точнее, эти состояния пребывают в вещи. И степень пребывания для каждого из этих состояний принято называть вероятностью, за которую отвечает волновая функция. Вероятность – это квадрат волновой функции. То есть на квантовом уровне любая вещь – это кисель возможностей, который называют суперпозицией состояний. При каждой волновой функции в этой сумме стоит свой коэффициент. Именно он и определяет возможность измерения.

Теперь вернёмся к каталогу автомашин. Вещь по имени автомобиль – это вовсе не то, что вы думаете. Не рычащая железяка. Это – вот этот каталог, со всеми возможными позициями. Такому правильному взгляду на жизнь учит нас квантовая механика. Машина – это кисель возможностей из каталога, суперпозиция предлагаемых вариантов. И в каждом варианте вы встретите свой коэффициент – это цена позиции.

Выбор машины с точки зрения квантовой теории – это акт измерения. Но сказать только это – значит преднамеренно ввести вас в заблуждения. Потому что каждый полагает, что выбрать – это значит полистать каталог и ткнуть пальцем в картинку со словами: «Куплю эту «Хонду». Нет, в квантовой теории выбрать означает заплатить продавцу цену согласно коэффициенту при волновой функции и получить свою железяку. Происходит так называемый коллапс волновой функции. Квантовая система перестаёт быть таковой. Вместо каталога вы имеете материальный автомобиль. Вещь.

А то, что считаете выбором вы, – это и есть тот самый загадочный и тонкий процесс, которому и посвящён весь доклад. И в этом тонком процессе задействованы такие материи, как предпочтение по цвету, марке, престижность данного авто, как вы это понимаете. Если к вашей даче ведёт разбитая дорога, то вас интересуют в первую очередь полноприводные машины с высоким клиренсом. И так далее. Заметим главное: ваши явные, и особенно неявные, предпочтения как бы соединяются с каталогом, многие даже проявляются только тогда, когда вы этот каталог листаете. «Оба-на, какая ещё марка есть!»

Итак, вы купили. Распад суперпозиции в одно из альтернативных состояний называется редукцией фон Неймана или «объективной редукцией», сокращённо – OR, ИЛИ.

Многие слышали про знаменитого кота Шрёдингера, но мало кто толком помнит, что там, в ящике, происходит. Мысленный эксперимент Шрёдингера описывает незавидное положение кота в ящике, в котором испущенный фотон падает на полупрозрачное зеркало, а переданная часть его волновой функции регистрируется датчиком. Поскольку зеркало полупрозрачное, датчик может обнаружить фотон, а может не обнаружить. Если датчик обнаруживает фотон, то срабатывает пистолет, убивающий кота. Если датчик не обнаруживает фотон, то кот остаётся жив и здоров. Волновая функция такой системы является суперпозицией этих двух возможностей… То есть, пока не произведено измерение, кот и жив, и мёртв равновероятно.

Как измерить эту систему? Просто: открыть ящик. Измерительным прибором будут наши органы чувств, а то, что мы увидим, обратно же – коллапс волновой функции. Нет больше никаких таинственных суперпозиций, а есть либо окровавленная тушка, либо из ящика выпрыгнет живой и здоровый кот. Квантовое состояние разрушено измерением. Это и есть редукция фон Неймана.

Но в квантовой физике измерительный прибор влияет на квантовую систему, а – внимание – квантовая система в свою очередь влияет на измерительный прибор! Вспомним пример с каталогом, когда многие желания у нас возникли только после того, как мы его полистали. Запомните это внимательно: КВАНТОВАЯ СИСТЕМА ВЗАИМНО ВЛИЯЕТ НА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР. Это нам пригодится.

Ещё одна штука: результат измерений зависит от того, есть ли на шкале нашего прибора соответствующие риски, чёрточки для фиксации возможных состояний. В ситуации с автомобилем это означает – есть ли у вас права, умеете ли вы водить. Если нет, то каталог вам не нужен. Нет, полистать вы его, конечно, можете, но процесс измерения вам недоступен.

В случае с котом мы умеем видеть два состояния: жив или мёртв. Не бывает чуточку беременных, не бывает немного мёртвых, знаем мы. Но это только потому, что на шкале нашего прибора нет соответствующих рисок.

Что ещё может произойти с котом? Возможна реализация ещё двух квантовых состояний. Известный историк Гумилёв любил говорить (повторяя вслед за В.И. Вернадским): смерть есть отделение пространства от времени. В квантовой механике мы вполне можем глянуть на кота Шрёдингера в геометрии пространства-времени.

Мгновенно обнаруживаются ещё два состояния при вскрытии ящика: в геометрии пространства кот жив, но в геометрии времени – мёртв. И наоборот. В геометрии пространства кот мёртв, в геометрии времени – жив.

Всё это вроде как бы не наблюдаемо, но в фантастике есть точное описание состояния, когда пространственно объект жив, а во времени – мёртв: это старый добрый зомби. Обратное состояние представить сложнее, но очевидно, что это мёртвая, неподвижная тушка кота, а рядом – его активный, яростно мяукающий призрак. Как видите, ничего сложного, просто никакие наши приборы не умеют отделять пространство от времени, оттого мы этих чудес и не наблюдаем.

2. Явление квантовой запутанности и декогеренции (потери фазовых соотношений между элементами волновой функции). Измерительный прибор как квантовая система, запутанная на измеряемую квантовую систему. Мозг как квантовый компьютер и сознание как квантовый феномен.