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

Каждый из этих подходов, равно как и ряд других, которые мы не хотим обсуждать, имеет своих сторонников и противников. Подход «волновой функции как знания» ловко обходит проблему коллапса волновой функции путём отрицания реальности волновых функций, сводя их вместо этого всего лишь к способу описания того, что мы знаем. Но почему, спросит противник, фундаментальная физика должна быть так тесно связана с человеческим знанием? Если бы здесь не было нас, чтобы наблюдать этот мир, то волновые функции никогда бы не коллапсировали или, может быть, вообще не существовало бы самой концепции волновой функции? Разве Вселенная была совершенно другой до того, как на планете Земля появилось человеческое сознание? Что если вместо экспериментаторов-людей наблюдателями являются только мыши, или муравьи, или амёбы, или компьютеры? Будет ли изменение в их «знании» достаточным, чтобы его можно было связать с коллапсом волновой функции?{96}

Напротив, многомировая интерпретация избегает самого понятия коллапса волновой функции, поскольку в этом подходе волновые функции не коллапсируют. Но ценой этого является чудовищное разрастание Вселенной, что многие противники этой интерпретации считают совершенно недопустимым.{97} Подход Бома также избегает коллапса волновой функции; но, утверждают его противники, допуская независимую реальность как частиц, так и волн, теория теряет экономичность. Более того, справедливо утверждают противники, в формулировке Бома волновые функции могут передавать влияние на частицы, которые они направляют, со скоростью, превышающей скорость света. Сторонники замечают, что первое возражение в лучшем случае субъективно, а последнее согласуется с нелокальностью, которая, как показал Белл, неизбежна, так что критика неубедительна. Тем не менее, может быть незаслуженно, подход Бома никогда не был популярным.{98} Подход Жирарди–Римини–Вебера прямо включает коллапс волновой функции путём добавления к уравнениям нового спонтанного механизма коллапса. Но, отмечают противники, тут всё ещё нет и намёка на экспериментальное подтверждение предложенной модификации уравнения Шрёдингера.

Поиск ясной и прозрачной связи между формализмом квантовой механики и опытом повседневной жизни будет, несомненно, продолжаться до конца, и трудно сказать, который из известных подходов, если среди них такой вообще есть, в конечном счёте будет принят большинством. Если бы физики сегодня проголосовали, я не думаю, что нашёлся бы несомненный фаворит. К несчастью, экспериментальные данные могут оказать ограниченную помощь. Хотя предложение Жирарди–Римини–Вебера даёт предсказания, которые могут в определённых ситуациях отличаться от стандартной квантовой механики с её двумя стадиями эволюции, отклонения слишком малы, чтобы их можно было зафиксировать современной технологией. Ситуация с другими тремя предложениями ещё хуже, поскольку они ещё более решительно препятствуют экспериментальной верификации. Они полностью согласуются со стандартным подходом, так что все они дают одинаковые предсказания для того, что можно было бы наблюдать или измерить. Они отличаются только в отношении того, что происходит за кулисами, если вообще что-то происходит. То есть они отличаются только в отношении того, что квантовая механика предполагает в качестве фундаментальной основы природы реальности.

Хотя проблема квантовых измерений остаётся нерешённой, на протяжении последних нескольких десятилетий был разработан подход, который, хотя ещё неполон, но имеет широкую поддержку как вероятный компонент любого жизнеспособного решения. Он называется декогеренция[51].

Декогеренция и квантовая реальность

Когда вы впервые сталкиваетесь с вероятностным аспектом квантовой механики, естественной реакцией является мысль, что это не более экзотично, чем вероятности, которые возникают при подбрасывании монетки или вращении рулетки. Но при знакомстве с квантовой интерференцией вы осознаёте, что вероятность в квантовой механике намного более фундаментальна. В повседневных примерах различным результатам — орёл против решки, красное против чёрного, один лотерейный номер против другого — присваиваются вероятности на основании понимания, что тот или иной результат определённо произойдёт и что каждый результат является конечным продуктом независимой, определённой истории. Когда монета подбрасывается, иногда вращательное движение таково, что выходит орёл, а временами таково, что выходит решка. Вероятность 50 на 50 мы относим не просто к конечному результату — орёл или решка, — но также к истории, которая привела к каждому результату. Половина возможных способов, которыми вы можете подбросить монету, приведут к орлу, а половина — к решке. Сами события, однако, являются совершенно отдельными, изолированными альтернативами. Нет смысла интересоваться, какие различные движения монеты усиливают друг друга, а какие гасят. Все они независимы.

Но в квантовой механике иная ситуация. Альтернативные пути, по которым электрон может следовать через две щели к детектору, — это не отдельные, изолированные истории. Возможные истории смешиваются, производя наблюдаемый результат. Некоторые пути усиливают друг друга, тогда как другие уничтожают друг друга. Такая квантовая интерференция между различными возможными историями отвечает за картину светлых и тёмных полос на детекторном экране. Так что основное различие между квантовым и классическим понятиями о вероятности заключается в том, что первое подвержено интерференции, а второе — нет.

Декогеренция является широко распространённым явлением, которое наводит мост между квантовой физикой малого и классической физикой не столь уж малого через подавление квантовой интерференции — т. е. путём резкого уменьшения того, что является ключевым различием квантовой и классической вероятности. Важность декогеренции была осознана давно, ещё в ранние времена квантовой теории, но её современное возрождение отсчитывается от плодотворной статьи немецкого физика Дитера Цея в 1970 г.,{99} и с тех пор разрабатывалось многими исследователями, включая Эрика Йоса, тоже из Германии, и Войцеха Цурека из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико.

Идея такова. Когда уравнение Шрёдингера применяется в простой ситуации, такой как прохождение отдельного изолированного фотона через экран с двумя щелями, оно приводит к известной интерференционной картине. Но этот лабораторный пример имеет две весьма специфические особенности, которые не характерны для событий реального мира. Первая состоит в том, что вещи, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, больше и сложнее, чем отдельный фотон. Вторая — в том, что вещи, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, не изолированы: они взаимодействуют с нами и с окружением. Книга, находящаяся сейчас в ваших руках, подвергается контакту с человеком и, вообще, постоянно бомбардируется фотонами и молекулами воздуха. Более того, поскольку сама книга состоит из многих молекул и атомов, эти постоянно дрожащие составляющие непрерывно сталкиваются друг с другом. То же самое справедливо для стрелок измерительных приборов, для котов, для человеческих мозгов и просто для всего, с чем вы сталкиваетесь в повседневной жизни. На астрофизических масштабах Земля, Луна, астероиды и другие планеты непрерывно бомбардируются фотонами Солнца. Даже частичка пыли, плавающая в темноте космического пространства, подвергается непрерывным толчкам низкоэнергетических микроволновых фотонов, которые начали путешествовать по пространству спустя небольшое время после Большого взрыва. Итак, чтобы понять, что квантовая механика говорит о событиях реального мира, — в противоположность рафинированным лабораторным экспериментам, — мы должны применить уравнение Шрёдингера к этим более сложным, более беспорядочным ситуациям.

По существу, это было то, на что обратил внимание Цей. Его работа и работы многих других, кто последовал за ним, открыли нечто действительно удивительное. Хотя фотоны и молекулы воздуха слишком малы, чтобы оказать существенное влияние на движение большого объекта, например книги или кота, но они в состоянии сделать кое-что другое. Они непрерывно «толкают» волновую функцию большого объекта или, говоря на языке физики, они возмущают её когерентность: они размывают упорядоченную последовательность гребней и впадин, следующих друг за другом. Это критично, поскольку упорядоченность волновой функции является центральным свойством для генерирования интерференционных эффектов (см. рис. 4.2). Подобно тому как добавление маркирующих приборов в эксперимент с двумя щелями размазывает результирующую волновую функцию и поэтому размывает интерференционные эффекты, постоянная бомбардировка объектов составными частями окружающей среды также препятствует возникновению интерференционных явлений. С другой стороны, раз квантовая интерференция более невозможна, вероятности, присущие квантовой механике, с любой практической точки зрения ведут себя подобно вероятностям, присущим подбрасываемой монете и вращающейся рулетке. Когда декогеренция, вызванная взаимодействием с окружающей средой, размывает волновую функцию, экзотическая природа квантовых вероятностей растворяется в более привычных вероятностях повседневной жизни.{100} Это может означать решение загадки квантового измерения, которое, если действительно окажется решением, стало бы лучшим, на что мы можем надеяться. Я сначала опишу идею декогеренции в наиболее оптимистичном свете, а затем сделаю акцент на том, что ещё остаётся сделать.