Глава 15. Квантовая магия

Квантовая механика… показывает как минимум в определенных обстоятельствах способность преодолеть пространство; дальнодействующие квантовые взаимодействия могут обойти пространственное разделение. Два объекта могут находиться в пространстве на большом расстоянии друг от друга, но, что касается квантовой механики, они ведут себя так, как если бы они были единой сущностью. Более того, поскольку Эйнштейн нашел тесную связь между пространством и временем, квантовые взаимодействия также протягивают щупальца во времени…

Б. Грин.

Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

Когда-то великий Эйнштейн в письме своему однокурснику по Цюрихскому политехникуму Мишелю Бессо так охарактеризовал рождающуюся квантовую теорию: «Настоящее колдовское исчисление». Заканчивалась первая четверть прошлого века, завершалась научная революция, породившая новую физику, но один из ее создателей даже не предполагал, что это выражение станет крылатым.

Несмотря на бушующую бурю мнений вокруг основополагающих принципов квантовой механики, большинство прикладных специалистов чувствует себя совершенно уверенно за непробиваемой стеной математических формул, подобных тому же уравнению Шредингера, считая, что особых причин для беспокойства у них просто нет. Квантовая физика хотя иногда и воспринимается как «колдовские вычисления», отлично работает в самых различных подразделах инженерных наук. Например, она позволяет с очень высокой точностью предсказывать и рассчитывать самые разнообразные эффекты в электронной оптике, атомной и ядерной физике, микроэлектронике. Квантовая физика не только полностью определила облик прошедшего столетия и нашего времени, но и подняла множество философских вопросов. Одним из центральных среди них является отношение между наблюдателем-экспериментатором и материальным объектом исследований.

А можно ли распространить этот фундаментальный принцип на весь окружающий нас макромир? Так, страницы многих газет и журналов, а также электронные СМИ, не говоря уже об Интернете, облетело краткое сообщение, приписываемое исследовательской группе американских ученых, о приближении даты «Квантового апокалипсиса» из-за постоянных наблюдений астрономами таинственной темной энергии, в которую, по самым последним представлениям, погружена наша Метагалактика. Оставим на совести околонаучных журналистов полное искажение смысла этой несостоявшейся сенсации, тут удивителен сам факт возникновения «под квантовым соусом» давнего схоластического вопроса о том, что же представляет собой наш мир в тот момент, когда мы, закрыв глаза, его не видим, и существует ли он в этот миг вообще.

По копенгагенской интерпретации квантовой механики, созданной в свое время Бором с учениками, любая квантовая система в любой момент времени находится сразу во всех возможных состояниях с разной потенциальной вероятностью их реализации. Точнее говоря, в динамике изменений любого квантового объекта как бы сосуществуют многие альтернативы, переход которых к конкретному состоянию физической системы возникает только в процессе измерения ее параметров.

С самого начала перед создателями копенгагенской интерпретации стоял вопрос о глубинной природе квантовой вероятности, однако и сегодня на него нет исчерпывающего ответа. Даже великий Эйнштейн, очень много сделавший для введения в науку квантовой теории, хотя и полностью признавал работоспособность математического аппарата квантовой механики, был глубоко убежден в ее неполноте и несовершенстве. Надо заметить, что в классической науке также есть разделы с вероятностной основой процессов и явлений, такие как статистическая физика, вполне успешно объясняющая макроскопические законы термодинамики на основе микроскопических процессов между атомами и молекулами. В данном случае вероятность тех же газовых явлений основывается на том, что измерить параметры каждого отдельного атома или молекулы, участвующих в данном процессе, просто нереально.

Эйнштейн в своих воспоминаниях признавал, что интуиция всегда подсказывала ему, что и на квантовом уровне должно содержаться подобное объяснение вероятностного поведения квантовых систем и объектов. Самый тривиальный ответ здесь был вполне очевиден: надо в анализе квантовой вероятности просто перейти на более глубокий – субквантовый уровень физической реальности. Однако за простотой такого предположения скрывалась громадная проблема поиска этого самого сверхглубокого уровня организации материи. После многих десятилетий безрезультатных поисков все чаще стали появляться мнения, что субквантовый уровень физической реальности просто может быть принципиально недоступным точно так же, как принципиально ненаблюдаемы составные части элементарных частиц – кварки. Такие мысли высказывали Гейзенберг, Фейнман и Гелл-Ман. Противоположного мнения придерживались Бом, де Бройль, Девитт и другие физики, которых не устраивал тезис копенгагенцев о том, что каждый квантовый объект представляет по своей сути черный ящик, исследовать внутреннюю структуру которого принципиально невозможно.

Диалектика спирали исторического материализма вернула на круги своя и знаменитую полемику между Эйнштейном и Бором, касающуюся смысла вероятностной интерпретации квантовой теории. Бурные научные споры на эту тему когда-то разделили физиков и философов на два идеологически непримиримых лагеря. Сейчас дискуссию продолжают Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг. Конечно, за прошедшее столетие обсуждаемые вопросы стали сложнее и изощреннее, но их глубинная суть практически не изменилась. Все так же одни физики считают, что вероятностный характер квантовомеханических представлений является фундаментальной особенностью окружающей природы и не может быть выведен из каких-то иных более глубоких «первых» принципов. Другие продолжают доказывать, что неоправданное расширение понятия неопределенности физических процессов микромира на окружающую реальность неизбежно приводит к целому ряду логических противоречий вроде «квантового кота Шредингера», так что далеко не все закономерности квантовой теории выявлены, особенно на уровне ее связи с макромиром.

Обсуждение фундамента «квантовой парадигмы» в наше время захватывает и такие интереснейшие темы, как «квантовая гравитация», «квантовая космология», «квантовая стрела времени» и «квантовая нелокальность». С другой стороны, в орбиту этой давней дискуссии со второй половины прошедшего столетия все чаще начинают попадать весьма необычные и даже фантастические предметы, такие как «ветвящиеся вселенные» и «сознание наблюдателя». Несомненно, в научных спорах большую роль играет личный фактор восприятия той или иной научной парадигмы. Вот и после сенсационного вывода об ускоренном расширении Вселенной (ранее считалось что наш мир «раздувается» совершенно равномерно и даже с очень небольшим замедлением) вновь вспомнили о гениальной физической интуиции Эйнштейна, вписавшего в свои уравнения некий таинственный «лямбда-член». А ведь уже столетие не умолкают всяческие ученые и не очень критики, смакуя этот «интеллектуальный промах» создателя релятивистского мира. Теперь многие из их продолжателей стали гораздо осторожнее относиться и ко второй главной «ошибке» великого физика в вопросе о «недоопределенности квантовой теории».

Все это подчеркивает, насколько до сих пор не устоялись многие современные концепции теоретической физики. К тому же у сонма околонаучных философов, журналистов, писателей-популяризаторов и даже профессионалов-теоретиков существует огромный соблазн распространить глубоко парадоксальные закономерности микромира на окружающую реальность. Ярким примером здесь может служить книга Фреда Адамса «Наш живой Мультиверс. Книга Бытия в 0 + 7 главах» и труд одного из главных апологетов «квантовой нелокальности», физика-теоретика Дэвида Дойча «Структура реальности».

Во второй половине прошлого века спор о реальности квантового мира перешел в совершенно необычную плоскость обсуждения реальности существования множества одновременных вариаций Вселенной. Несмотря на кажущуюся фантастичность, эта идея прижилась и получила дальнейшее развитие. Сейчас уже целые научные школы развивают подобные концепции, считая, что в будущем подобные построения могут занять видное место во всеобщей парадигме физической реальности.

Особенно часто концепция Мультивселенной рассматривается в космологическом аспекте как неотъемлемая часть окружающей реальности. В концепции Эверетта каждый раз, когда происходит взаимодействие между двумя квантовыми системами, волновая функция Вселенной расщепляется, порождая «ветвистый куст» разнообразных исторических последовательностей. Что такое волновая функция Вселенной? Мне кажется, что и сам Эверетт не имел ясного представления о столь глубокой абстракции, конечно, он оперировал с соответствующим математическим образом и использовал довольно развитый математический аппарат, но реальная сущность его построений до сих пор вызывает головокружительное впечатление.

В космологическом плане многомировая интерпретация описывает некий вектор состояния для Вселенной в целом точно так же, как делает это для пси-функций микрочастиц. В этом смысле многомирье просто не имеет границ между классической и квантовой реальностью. Однако некоторые теоретики считают, что многомировая интерпретация в своем исходном варианте реально не упраздняет границу микро- и макромира, а смещает ее в направлении «управляющего квантовым выбором сознания наблюдателя». Комментировать подобные спекуляции очень трудно, скорее, их можно просто рассматривать как калейдоскопической пестроты построения, весьма мало соотносящиеся с окружающей объективной реальностью…

Согласно многомировой интерпретации существует бесконечное множество равноправных «копий» параллельных миров, воплощающих окружающую физическую реальность. Тогда волновая функция будет описывать единый квантовый Универсум, который представляет собой наложение бесконечного числа всех возможных состояний. В некотором смысле многомировая интерпретация кажется проще копенгагенской, но за эту простоту приходится платить, постулируя постоянное расслоение квантового Универсума на множество классических миров. Здесь следует вспомнить замечание квантового теоретика Дэвида Дойча:

Обращение к воображаемым вселенным не работает, потому что мы можем представить любые желаемые нами вселенные в любых желаемых нами соотношениях. Но в Мультиверсе вселенные присутствуют в определенных соотношениях, так что имеет смысл говорить, что некоторые типы событий «очень редки» или «очень часты» в Мультиверсе и что некоторые события следуют за другими «в большинстве случаев». Большая часть логически возможных вселенных не присутствует совсем – например, не существует все ленных, в которых заряд электрона отличался бы от заряда электрона в нашей вселенной или в которых не работали бы законы квантовой физики. Законы физики, к которым неявно обращается противоречащее фактам высказывание, – это законы, которые действительно работа ют в других вселенных, а именно законы квантовой теории.

Если обратиться к истории становления и развития идей квантового Универсума, то надо честно признать, что в самом начале профессиональное сообщество ученых отнеслось к ней с большим сомнением, сочтя ее автора по меньшей мере беспочвенным фантазером. И это несмотря на то, что благожелательную, но очень осторожную рекомендацию к публикации первой статьи Эверетта дал сам Бор, а ходатайствовал перед ним об этом сам Уилер. Ситуация начала несколько меняться только после того, как у многомировой интерпретации появились комментарии и развивающие идеи таких крупных теоретиков, как Уилер и Девитт. Собственно говоря, сам термин «многомировая интерпретация» возник только после аналитических работ Уилера и Девитта. Вообще-то такое название не точно и уже ввело в заблуждение множество журналистов, литераторов и философов, правильнее было бы употреблять словосочетание «многопроекционная интерпретация».

Таким образом, в квантовом Универсуме Эверетта будут совершенно реальны все возможные варианты измерений, скажем, того же спина электрона, но вот реализовываться они будут в совершенно разных квантовых проекциях нашей Вселенной. Причем в многомировой интерпретации (будем употреблять этот общепринятый термин) проблема выбора результата измерений формулируется иначе, чем в традиционной квантовой физике. Вместо поиска возможных результатов измерений возникает вопрос: в каком именно проекционном отражении квантового Универсума произошла локализация лабораторного наблюдателя?

Тем не менее самым узким местом многомировой интерпретации является отсутствие реальных физических механизмов воплощения того или иного мира, составляющего нашу реальность. Несмотря на свою внешнюю элегантность и внутреннюю логику построения Универсума, интерпретация квантовой механики Эверетта – Уилера – Девитта при всей своей парадоксальности не вводит ни одного нового физического объекта, существование которого можно было хотя бы косвенно подтвердить или даже опровергнуть экспериментальным путем.

Чтобы понять буквально гипнотизирующую привлекательность квантового многомирья, надо вспомнить, что воздействие любого измерительного прибора мгновенно «схлопывает» волновой вектор, вызывая так называемый коллапс волновой функции. Однако подобные «катастрофические» решения неправомерны для математической структуры уравнения Шредингера, проще говоря, для тех, кто еще хоть что-то помнит из школьной алгебры, – это неправильные решения, которые надо отбрасывать в конечном итоге.

Что же тогда происходит с волновой пси-функцией при лабораторных измерениях и как же правильно рассказать обо всем этом на языке квантовой физики?

Этот вопрос до сих пор не имеет однозначного ответа, так, с точки зрения стандартной копенгагенской интерпретации измерение представляет собой взаимодействие квантовой системы с классическими объектами, в результате которого она переходит от одного состояния макроскопического детектора к другому. Поэтому сам процесс измерения и не должен описываться решениями уравнения Шредингера, которое справедливо лишь для квантового мира. В копенгагенской интерпретации редукция пси-функции считается объективной реальностью квантового мира. Собственно говоря, на этом и строится детально разработанный формализованный аппарат расчетов поведения квантовых систем. За всю историю квантовой науки он всегда выдавал стопроцентно верные результаты, предсказывающие экспериментальные данные. Именно поэтому все возможные физические расчеты, например в квантовой оптике, выполненные на основе самых разных квантовомеханических интерпретаций, дают совершенно одинаковые результаты, что заставляет глубоко задуматься о правомерности разделения таких подходов.