Утешение 4
Некогерентная интерпретация с декогеренцией

Чтобы произошла декогеренция, необходимо, чтобы сначала что-нибудь было когерентно. Физики четко знают, что они подразумевают под когерентностью, и сторонники интерпретации с декогеренцией утверждают, что именно когерентность и заставляет квантовый мир вести себя так, как это происходит.

Как обычно, пролить свет на происходящее нам поможет эксперимент с двумя отверстиями. Световые (или любые другие) волны, которые расходятся в разные стороны от двух отверстий, первоначально исходят из одного источника и потому синхронны между собой. Отверстия просто направляют эти когерентные волны по разным траекториям, и разница в длине этих траекторий влияет на то, как два набора волн взаимодействуют между собой: здесь они сходятся в одной фазе, там – в разных. Гребни и впадины волн всегда располагаются регулярно, по четким правилам, и это позволяет волнам взаимодействовать между собой так, что в результате получается столь же регулярный узор из света и тени. Если волны некогерентны (например, некогерентен свет от двух факелов, освещающих стену), то интерференционной картины нет. Вообще-то, интерференция между ними происходит, но все настолько перемешано, что никакого регулярного узора не возникает. Согласно интерпретации с декогеренцией, «квантовость» исчезает именно тогда, когда все перемешивается. Но ведь свет от двух факелов никогда и не был когерентен. Он был некогерентен.

Существует еще одна полезная аналогия – так называемая мексиканская волна, которую иногда можно увидеть на стадионах. Если каждый зритель на трибуне поднимает и опускает руки случайным образом, когда ему захочется, вы увидите лишь хаос машущих рук. Но если каждый человек поднимает и опускает руки в нужный момент, следуя за соседями, то по трибунам стадиона проносится волна. Эта волна когерентна, произвольное махание руками некогерентно. Так что термин «декогеренция», строго говоря, не слишком уместен в квантовом контексте. Возможно, было бы разумнее назвать эту модель некогерентной интерпретацией квантовой механики; но тогда ее сторонникам могло бы показаться, что это название создает у читателя ложное впечатление об их любимой идее!

Если фанаты этой идеи правы, граница между квантовостью и обычным миром определяется когерентностью, а не размерами. Бор и его коллеги высказывались об этом весьма туманно, и на то есть причина. Они могли бы вполне разумно утверждать, что такой крупный и сложный объект, как кот, слишком велик, чтобы находиться в квантовой суперпозиции, в то время как отдельные атомы могут находиться в ней. Но если мы начнем придумывать собственные варианты мысленного эксперимента с котом в ящике, то где нужно будет провести границу? Достаточно ли велика блоха, чтобы точно знать, жива она, мертва или находится в состоянии суперпозиции? А микроб? Никто этого не знал.

Один человек принял вызов и решил найти ответ на этот вопрос. Энтони Леггетт, работавший в конце 1960-х и в 1970-е гг. в Университете Сассекса, твердо решил разработать эксперименты, которые позволили бы проверить, приложимы ли по-прежнему правила квантовой механики к описанию поведения так называемых макроскопических объектов – достаточно больших, чтобы их можно было взять в руку (или еще больше). Это привело Леггетта к созданию сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID). Типичное такое устройство было размером примерно с обручальное кольцо, его действительно можно было брать, но, поскольку для работы устройство приходилось охлаждать до сверхнизких температур, держать его в руке в работающем состоянии было нельзя. Электрический ток в сверхпроводнике, будучи раз запущенным, течет вечно. Поведение такого тока, протекающего по кольцу SQUID, можно отслеживать, его можно корректировать с помощью электрического и магнитного полей. Эксперименты показали, что электронная волна, бегающая по кольцу, ведет себя как единый квантовый объект, который примерно в сто миллионов раз крупнее атома (и наверняка крупнее бактерии или даже блохи). Таким образом, Леггетт достиг первой поставленной цели, но не остановился на этом.

Возможно, вы думаете, что такая волна может бежать по кольцу в одну сторону или в другую, но не в обоих направлениях одновременно. Ошибаетесь. Эксперименты, проведенные в начале XXI в., продемонстрировали эффекты, указывающие на движение волны в обоих направлениях одновременно. Не двух волн, движущихся в противоположных направлениях, а одной и той же волны, идущей одновременно и так и этак – в суперпозиции. Так что квантовость объекта определяет не его размер, а факт когерентности волн.

С тех пор работа в этом направлении значительно продвинулась, что принесло Леггетту Нобелевскую премию и рыцарский титул. Устройства SQUID становятся все крупнее и находят практическое применение в медицине в качестве чувствительных детекторов магнитных полей, генерируемых человеческим телом, а также в качестве потенциальных компонентов квантовых компьютеров. Для нас же важно отметить, что, пока волны когерентны, они ведут себя как макроскопические примеры четко выраженных квантовых состояний, но, когда температура повышается и волны декогерируют, они перестают демонстрировать квантовость. На языке Бора можно сказать, что декогеренция, судя по всему, вызывает схлопывание волновой функции. Поэтому некоторые физики считают, что интерпретация с декогеренцией – это та же копенгагенская интерпретация, но под другим названием. Однако при этом упускается из виду ключевая роль суперпозиции и запутанности в строгой формулировке интерпретации с декогеренцией.

Tony Evans/Timelapse Library Ltd./Getty Images

Суперпозиция и запутанность – две стороны одной монеты. Когда две «частицы» взаимодействуют, они становятся запутанными, и с этого момента все, что происходит с одной из них, влияет на другую. По существу, они становятся единым объектом. Точно так же волну, бегающую по кольцу SQUID одновременно в обоих направлениях, можно считать двумя волнами в суперпозиции, запутанными между собой. Результат этого – единый квантовый объект, волна, бегущая по кольцу не в одном направлении, а в двух сразу. Неудивительно, что интерпретация с декогеренцией появилась только в 1980-х гг., одновременно с экспериментами, установившими, что запутанность – верное описание способа функционирования нашего мира.

Что же на самом деле происходит, когда «чистый» квантовый объект взаимодействует с внешним миром и «декогерирует»? Он становится не менее, а более запутанным. Представьте себе одиночную частицу в чистом квантовом состоянии. Стоит ей рассеяться на другой частице (или хотя бы вступить во взаимодействие с фотоном света), как она становится запутанной. Если любой из двух запутанных объектов взаимодействует с третьим, все три становятся запутанными, а их квантовые состояния оказываются в суперпозиции. Запутанность распространяется, что называется, быстрее лесного пожара. На практике просто не существует такой вещи, как «чистая» квантовая система, отделенная от внешнего мира (разве что в совершенно особых обстоятельствах, таких как эксперименты со SQUID’ами), а существует запутанная система того и другого, суперпозиция всего, что когда-либо взаимодействовало с первоначальной частицей, и всего, с чем она когда-либо взаимодействовала, а также всего, с чем все это когда-либо взаимодействовало или контактировало. Декогеренция на самом деле означает связывание всего сущего в мире – во Вселенной – в единую квантовую систему. Мы уже не наблюдаем квантовости некогда изолированной частицы, потому что она смешалась со всем остальным. Из-за результирующей некогерентности чрезвычайно трудно разобраться в фундаментальной квантовости всего, кроме простейших систем. Математики расскажут, что в принципе это возможно, поскольку уравнения, описывающие квантовый мир, обратимы во времени. Но не стоит, затаив дыхание, ждать, что кто-нибудь попробует это проделать.

Как отметил Филип Болл, декогеренция очень быстро приводит к некогерентному состоянию, эквивалентному суперпозиции такого числа квантовых состояний, которое превышает число элементарных частиц в наблюдаемой Вселенной. Болл задал вопрос: «Можно ли объявить задачу строго нерешаемой только потому, что во Вселенной недостаточно информации для ее решения?» Также Болл привел некоторые оценки времени, необходимого системе для декогеренции. У крупных объектов декогеренция проходит быстрее, потому что в них больше кусочков, способных взаимодействовать с другими объектами и друг с другом. У пылинки, плавающей в воздухе и бомбардируемой окружающими молекулами, декогеренция занимает меньше времени, чем нужно фотону, движущемуся со скоростью света, чтобы пройти расстояние, эквивалентное диаметру протона. Даже в межзвездном пространстве пылинка, плавающая свободно и взаимодействующая только с фотонами реликтового излучения, декогерирует примерно за секунду. «Для всех практических целей декогеренция мгновенна и неизбежна». Это относится и к знаменитому коту Шрёдингера. Чтобы быть «одновременно мертвым и живым», этот кот должен быть «подготовлен» в некоем почти невероятном когерентном состоянии чистой квантовости. Одно дело – подготовить в чистом квантовом состоянии SQUID, и совсем другое – проделать это с котом. А если вам это удастся, то квантовый кот декогерирует либо в мертвого, либо в живого кота быстрее, чем декогерирует плавающая в воздухе пылинка.

Это также лишает основания одно из философских возражений против копенгагенской интерпретации. Если воспринимать ее буквально, КИ утверждает, что «ничто не реально», если его не наблюдают или не измеряют. Допустим, кот в ящике может существовать в суперпозиции состояний. Но тогда, спрашивают оппоненты этой идеи, существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит, или все это время она находится в суперпозиции всех возможных квантовых состояний? Существовала ли она в этом смысле до возникновения жизни на Земле? У Бора не было удовлетворительных ответов на эти вопросы. Интерпретация с декогеренцией их дает – фотонов реликтового излучения, не говоря уже о солнечном свете, вполне достаточно, чтобы вызвать декогеренцию и сделать Луну «реальной».

Однако это еще не конец истории. Нашлись люди, которые, вместо того чтобы использовать идею декогеренции только в ситуации «здесь и сейчас» (что бы это «здесь и сейчас» ни значило в запутанной Вселенной), решили применять этот способ мышления ко всей истории – или ко всем историям – Вселенной. В результате то, что прежде было самостоятельной интерпретацией – интерпретацией непротиворечивых историй, стало интерпретацией декогерентных историй. Но я начну с того места, где речь идет о «непротиворечивости».

В основе лежит идея о том, что мы знаем о квантовом мире (или мире вообще) лишь то, что можем увидеть и измерить. До проведения эксперимента или измерения мы можем только вычислить вероятность различных его исходов. Но стоит провести измерение – и мы получаем определенный результат, в некотором смысле выбранный из множества возможных вариантов. Аргументация подхода, связанного с непротиворечивыми историями, состоит в том, что, каким бы ни был результат измерения, то есть что бы ни произошло в мире, – все это должно быть согласовано с прошлым, с историей. Когда мы смотрим на интерференционную картину, полученную в эксперименте с двумя отверстиями, все, что мы можем сказать точно, – это что узор на экране согласуется с тем, что волны прошли через отверстия и проинтерферировали между собой. Когда свет выбивает электрон из поверхности металла, мы можем сказать лишь, что это согласуется с тем, что свет пришел в форме фотона.

Космологические следствия всего этого широко обсуждались в ученом сообществе, в дискуссии, в частности, участвовали Стивен Хокинг и его коллеги. Хокинг описал традиционный подход к пониманию Вселенной в квантовых терминах как анализ «снизу вверх». Вы начинаете с попытки догадаться, как в самом начале могла выглядеть Вселенная, будучи суперпозицией волновых функций, а затем пытаетесь разобраться, как она перешла в то состояние, в котором мы видим ее сегодня. Сам Хокинг предпочитал альтернативный подход «сверху вниз», при котором вы начинаете с сегодняшнего состояния Вселенной и шаг за шагом, согласованно, двигаетесь по пройденному ею пути в прошлое, пытаясь определить, какие волновые функции внесли свой вклад в ее возникновение.

Проблема в том, что может найтись (и обычно находится) более чем один уникальный путь, способный привести к наблюдаемому результату, – непротиворечивых историй оказывается больше одной. Не существует единственной уникальной «истории Вселенной», которую можно было бы восстановить таким образом. Если в электронной версии эксперимента с двумя отверстиями какой-то электрон достигает определенной точки на экране, не существует способа определить точно, через какое отверстие он прошел. Обе возможные истории вполне согласуются с тем, что мы наблюдаем. А мир в целом намного сложнее, чем эксперимент с двумя отверстиями, и открывает гораздо более широкий выбор непротиворечивых историй. Я еще вернусь к этому, но сначала ответим на вопрос: а где в этом сюжете появляется декогеренция?

Если каждое «измерение» – каждое квантовое взаимодействие – выбирает одну из целого ряда возможных историй, то можно представить себе восстановление траектории назад во времени, до самого Большого взрыва (а может быть, и дальше, но я так далеко заходить не буду), причем декогеренция (а это именно она) будет отбирать непротиворечивые варианты истории. В начале возможно все. Но как только происходят первые квантовые взаимодействия, некоторые возможности исключаются и разнообразие различных вселенных снижается. То есть снижается разнообразие непротиворечивых прошлых вселенных. Это продолжается вплоть до настоящего времени, выбирая историю нашей Вселенной (но, и это принципиально, не только нашей) из числа возможных миров. Подход, связный с декогерентными историями, не выбирает уникальную Вселенную. Нет, мы вновь возвращаемся к вариации на тему множества миров, но приходим к ней другим путем. Возможность использования декогеренции для превращения идеи многих миров в идею «многих историй» показалась некоторым физикам соблазнительной, поскольку позволяла избавиться от лишнего багажа в виде параллельных, в равной мере реальных миров и заменить их различными историями, которые существовали только в виде призрачных состояний среди вероятностей. Но в середине 1990-х гг. стало очевидно, что дело обстоит не так просто. На одной конференции Ли Смолин из канадского Института теоретической физики «Периметр» услышал выступление Фэй Доукер на тему этих возможностей, и его осенила идея, которую он позже описал в книге «Три дороги к квантовой гравитации» (Three Roads to Quantum Gravity):

Все истории равно реальны, и то, что мы воспринимаем как единственную настоящую историю нашего мира, зависит от вопросов, которые мы задаем. Точно как в эксперименте с электронами: если мы будем искать волны, то найдем волны, а если поищем частицы – найдем частицы. Если мы ищем свидетельства существования динозавров в прошлом, мы находим историю, которая согласуется с существованием динозавров в прошлом. Это не обязательно означает, что в прошлом «на самом деле» были динозавры; это означает лишь, что сегодняшнее состояние мира не противоречит возможности существования динозавров в прошлом. Как сказал по этому поводу Смолин, получилась «теория, в которой мы можем формулировать ответы, но не вопросы».

Не то чтобы она устраивала «и наших и ваших», но, в зависимости от своих предпочтений, вы можете видеть в интерпретации с декогеренцией вариант либо копенгагенской, либо многомировой интерпретации. Не тревожьтесь, если ни один из них вам не по вкусу. Возможно, вы сможете найти утешение в Ансамблевой интерпретации.