Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Реальность и проблема квантового измерения

За время существования квантовой теории поступило множество предложений для решения проблемы квантового измерения. Ирония заключается в том, что, хотя они влекли за собой различные концепции реальности (некоторые — радикально различные), когда дело касалось предсказаний того, что исследователь будет измерять почти во всех экспериментах, все они были в согласии друг с другом и каждое работало подобно заклинанию. Каждое предложение показывало один и тот же спектакль, хотя, если вы посмотрите за кулисы, то увидите, что их способы действия существенно отличаются.

Когда речь идёт о развлечении, вы обычно не хотите знать, что происходит за кулисами; вы вполне удовлетворяетесь тем, что обращаете внимание исключительно на результат. Но когда речь идёт о понимании Вселенной, имеется непреодолимое желание отдёрнуть все шторы, открыть все двери и полностью обнажить глубинные внутренние механизмы реальности. Бор считал это побуждение безосновательным и вводящим в заблуждение. Для него реальность есть её представление. Как в монологе Сполдинга Грея[50], голые измерения экспериментатора и являются всем спектаклем. Ничего другого нет. Согласно Бору, «за кулисами» ничего нет. Идея попытаться проанализировать, как, когда и почему квантовая волновая функция отбрасывает все возможности, кроме одной, и даёт одно определённое число на измерительном приборе, — ошибочная идея. Измеренное число само по себе является всем, что заслуживает внимания.

Этот взгляд господствовал в течение десятилетий. Однако его успокаивающее действие на ум, пытающийся, несмотря ни на что, понять квантовую теорию, никак не способствует ощущению, что превосходная предсказательная сила квантовой механики означает, что это и есть проход в скрытую реальность, лежащую в основе нашей Вселенной. Успокаивающее действие этого подхода не может помочь идти дальше и понять, как квантовая механика связана с повседневным опытом — как она перекидывает мост через пропасть между волновой функцией и наблюдением, и какая скрытая реальность лежит в основе наблюдений. Многие исследователи приняли этот вызов; ниже приводятся некоторые разработанные ими подходы.

Один подход, исторические корни которого восходят к Гейзенбергу, заключается в отказе от взгляда на волновую функцию как на объективное свойство квантовой реальности и, вместо этого, во взгляде на неё только как на отражение наших знаний о реальности. Перед проведением эксперимента мы не знаем, где находится электрон, и, как предполагает этот взгляд, наше неведение относительно его расположения отражается электронной волновой функцией, описывающей электрон как находящийся, возможно, в ряде различных мест. Однако в момент, когда мы измеряем его положение, наше знание о том, где он находится, внезапно изменяется: теперь мы знаем его положение, в принципе, с абсолютной точностью. (В соответствии с принципом неопределённости, если мы знаем его положение, мы неизбежно оказываемся в неведении относительно его скорости, но это не является предметом текущего обсуждения.) Это резкое изменение наших знаний, в соответствии с данным взглядом, отражается в резком изменении электронной волновой функции: она внезапно коллапсирует и принимает форму резкого пика, как на рис. 4.7, фиксируя наше точное знание положения электрона. В таком подходе резкий коллапс волновой функции совершенно неудивителен: он есть не что иное, как резкое изменение в знании, которое мы все ощущаем, когда узнаём что-либо новое.

Второй подход, предложенный в 1957 г. студентом Джона Уилера Хью Эвереттом, вообще отрицает, что волновая функция коллапсирует. Вместо этого любой и каждый потенциальный результат, включённый в волновую функцию, реализуется; однако происходит это в его собственной отдельной Вселенной. В этом подходе, известном как многомировая интерпретация, понятие «Вселенная» расширяется, чтобы включить бесчисленные «параллельные вселенные» — бесчисленные версии нашей Вселенной, — так что всё, что может произойти в соответствии с предсказаниям квантовой механики, даже с ничтожной вероятностью, действительно происходит, по меньшей мере в одной копии. Если волновая функция говорит, что электрон может быть здесь, там и где-нибудь далеко, тогда в одной вселенной копия вас самих найдёт его здесь; в другой вселенной другая ваша копия найдёт его там; а в третьей вселенной ещё одна ваша копия найдёт электрон очень далеко. Последовательность наблюдений, которую каждый из нас делает каждую секунду, таким образом, отражает реальность, имеющую место только в одной части этой чудовищной, бесконечной сети вселенных, каждая из которых населена копиями вас, меня и любого другого, кто ещё живёт во вселенной, в которой некоторое наблюдение дало определённый результат. В одной такой вселенной вы сейчас читаете эти слова, в другой вы прервались, чтобы походить по Интернету, ещё в другой вы с волнением дожидаетесь, когда поднимется занавес перед вашим дебютом на Бродвее. Это похоже на то, как если бы существовал не единственный блок пространства-времени, изображённый на рис. 5.1, а бесконечное количество, среди которых каждый реализует одну возможную последовательность событий. В многомировой интерпретации, следовательно, ни один потенциальный результат просто не остаётся потенциальным. Волновые функции не коллапсируют. Каждый потенциальный результат проявляется в одной из параллельных вселенных.

Третье предложение, разработанное в 1950-е гг. Дэвидом Бомом, — тем самым физиком, с которым мы сталкивались в главе 4, когда обсуждали парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена, — использует совершенно другой подход.{93} Бом утверждал, что частицы, такие как электроны, обладают определёнными положениями и определёнными скоростями, точно как в классической физике и точно так, как надеялся Эйнштейн. Но, в соответствии с принципом неопределённости, эти свойства скрыты от взгляда; они являются примерами скрытых переменных, упоминавшихся в главе 4. Вы не можете определить обе переменные одновременно. По Бому, такая неопределённость представляет предел того, что мы можем знать, но ничего не предполагает о действительных атрибутах самих частиц. Его подход не противоречит результатам Белла, поскольку, как мы обсуждали в конце главы 4, обладание определёнными свойствами, запрещёнными принципом неопределённости, не исключено; исключена только локальность, а подход Бома нелокален.{94} Бом представил, что волновая функция частицы является другим, отдельным элементом реальности, таким, который существует в дополнение к самой частице. Нет частиц или волн, как полагала философия дополнительности Бора; в соответствии с Бомом, есть частицы и волны. Более того, Бом постулировал, что волновая функция частицы взаимодействует с самой частицей — она «направляет» частицу или «толкает» её — таким способом, что это определяет её последующее движение. В то время как этот подход полностью согласуется с правильными предсказаниями стандартной квантовой механики, Бом нашёл, что изменения волновой функции в одном месте могут немедленно сказаться на удалённой частице, что явно обнаруживает нелокальность его подхода. В эксперименте с двумя щелями, например, каждая частица проходит через одну щель или через другую, тогда как их волновая функция проходит через обе щели и допускает интерференцию. Поскольку волновая функция управляет движением частицы, то не столь уж и удивительно, что, как показывают уравнения, частица охотнее окажется там, где величина волновой функции велика, и неохотно там, где мала, объясняя данные на рис. 4.4. В подходе Бома нет отдельной стадии коллапса волновой функции, поскольку, если вы измеряете положение частицы и находите её здесь, то это действительно то место, где она была моментом раньше измерения.

Четвёртый подход, разработанный итальянскими физиками Джанкарло Жирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером, смело изменяет уравнение Шрёдингера неким хитрым способом, который почти не сказывается на эволюции волновых функций отдельных частиц, но имеет существенное влияние на квантовую эволюцию, когда применяется к «большим» повседневным объектам. Предложенная модификация полагает, что волновые функции в своей основе нестабильны; даже без всякого вмешательства, предположили эти исследователи, рано или поздно каждая волновая функция коллапсирует к пикообразной форме по своему собственному желанию. Жирарди, Римини и Вебер постулировали, что для индивидуальной частицы коллапс волновой функции происходит спонтанно и хаотично, возникая в среднем только раз в каждый миллиард лет или около того.{95} Это настолько редко, что вносит только очень слабое изменение в обычное квантово-механическое описание отдельной частицы, и это хорошо, поскольку квантовая механика описывает микромир с беспрецедентной точностью. Но для больших объектов, таких как экспериментатор и его оборудование, которые имеют миллиарды и миллиарды частиц, вероятность будет настолько большой, что в мельчайшую долю любой заданной секунды постулированный спонтанный коллапс произойдёт по меньшей мере с одной отдельной частицей, заставив сколлапсировать её волновую функцию. И, как объясняют Жирарди, Римини, Вебер и другие, запутанная природа всех индивидуальных волновых функций в большом объекте обеспечивает, что этот коллапс инициирует разновидность квантового эффекта домино, при котором волновые функции всех составляющих частиц тоже коллапсируют. Так как это происходит в крошечную долю секунды, предлагаемая модификация обеспечивает, что большие объекты, по существу, всегда находятся в одной определённой конфигурации: стрелки на измерительных приборах всегда указывают на одну определённую величину; Луна всегда находится в одном определённом положении в небе; коты всегда или мертвы, или живы.