Парадоксы квантовой механики не дают физикам спать

28.03.2013, Илья Хель 73

Квантовые физики так же поражаются квантовой механике, как и вы.

В недалеком 2011 году состоялась конференция «только по приглашениям» под названием «Квантовая физика и природа реальности» (QPNR), тщательный разбор которой есть на Gizmag.com. Многие видные физики, математики и философы от науки, основная деятельность которых — разбор и интерпретация квантовой механики — собрались, чтобы привести мысли науки в порядок. Вы наверняка знаете, что квантовая механика настолько парадоксальна, что порой наводит на мысли о существовании высшего разума. Любопытно то, что светила науки так и не сошлись во мнении относительно природы квантовой физики. Знаете, почему?

so-you-think-youre-confused-about-quantum-mechanics-9

Квантовая механика (КМ), включая разделение на квантовую электродинамику и квантовую теорию поля, представляет собой самую удачную научную теорию, когда-либо созданную. Погрешности во время экспериментов едва ли составляют одну миллиардную долю. При всем это суть квантмеха уходит от понимания как песок сквозь пальцы — и это порождает парадоксы, взаимоисключающие параграфы и «жуткие действия». Проще говоря, хотя КМ работает на диво хорошо, как и почему она работает, никто не знает.

Многие физики проводят бессонные ночи, ломая голову над природой квантовой механики, поскольку появление физики квантовой информации сулит нам много благ (квантовую криптографию, квантовые компьютеры и прочие «тайные разработки»), но понимание этой самой природы квантовой механики остается непреодолимым барьером. Квантмех работает вне зависимости от интерпретация, но интуиция оказывается слишком слабой, когда нужно прояснить странные аспекты КМ. За последние тридцать лет ученые буквально поселились в палатках перед барьером, силясь понять и договориться о том, почему и как работает квантовая механика.

Что же прояснилось на конференции QPNR? И хотя мы намеренно опустим математические тонкости, вы обязательно получите ответы на некоторые волнующие вас вопросы. Все ученые на конференции были опрошены, в некоторых случаях можно было голосовать более одного раза, но чтобы не путать вас, мы упростили результаты. Равно как и вопросы.

Введение в квантовую механику

Кот Шрёдингера
Первым вопросом, с которого мы начнем разбирать опрос QPNR, станет проблема квантового измерения. Это даст нам возможность пролить свет на некоторые основные понятия в КМ.

В квантовой механике волновая функция объекта описывает все измеримые свойства этого объекта. Это полное описание того, что называется квантовым состоянием объекта. Волновая функция описывается знаменитым уравнением Шрёдингера, который, по слухам, написал его во время отдыха с любовницами в ответ на брошенный ему вызов со стороны светил науки. Уравнение описывает поведение волновой функции в ответ на проявления внешней среды.

Математические детали сейчас не важны, за исключением одного: уравнение Шрёдингера линейно. Если вы сложите несколько разных решений в линейное уравнение, их сумма тоже будет решением. Это называется принципом суперпозиции и является не физическим результатом, а скорее свойством основной математической структуры в КМ. Суть в том, что существует класс волновых функций, который называется квантовыми суперпозициями, одновременно описывающие разные квантовые состояния объекта.

Давайте поставим объект в суперпозицию, измерим его и посмотрим, что получится согласно стандарту КМ. Возьмем два одинаковых мяча: красный и синий. Заставим их вращаться с двумя квантами (один квант обозначает половину единицы) углового момента (который мы называем спином). У красного мяча спин будет верхним, у синего — нижним. Квантовое состояние двух мячей до того, как они столкнутся, будет красный-верх + синий-низ. Если вы измерите спин двух мячей, вы обнаружите, что у красного мяча спин всегда +1, а у синего всегда -1, а значит сумма двух будет равна нулю. Это важно, поскольку суммарный спин системы является константой в КМ.

Теперь столкнем мячи. Если их поверхности обладают свойствами, похожими на те, которые нам известны, два мяча могут передать спин один другому. Самыми очевидными результатами будут такие: ничего не изменится (красный-верх + синий-низ, что мы обозначаем как [1 -1]; спин изменится (красный-низ + синий-верх, или [-1 1]; спин обнулится (красный-ноль + синий-ноль, или [0 0]. Поскольку может произойти любое из трех событий, до того, как мы измеряем состояние мячей, они находятся в состоянии запутанной суперпозиции. Их квантовое после столкновения и перед измерением будет [1 -1] + [-1 1] + [0 0].

(Для квантовых скептиков: если мы измерим разнонаправленные спины красного и синего мячей, теорема Белла говорит нам, что корреляция между результатами измерения будет сильнее, чем возможно в классической и вышеописанной системах. Этот теоретический результат наблюдается и экспериментально, доказывая, что спин каждого из шаров после столкновения не имеет определенного значения, пока не измеряется).

Измерим спин красного мяча после столкновения. Если он равен 1, квантовое состояние двух мячей после измерения будет [1 -1] — две другие суперпозиции исчезают, поскольку не согласуются с измерением. То же самое, если результат измерения -1 или 0, соответственно, квантовое состояние будет [-1 1] и [0 0]. Любое возможное состояние, несовместимое с результатом измерения, исчезает, даже если оно существовало в исходной суперпозиции.

Проблема квантового измерения

Квантовая механика
Что случится, если мы решим полностью довериться квантовой механике? В конце концов, она может описать все измеримые явления. Инструмент, который измеряет спин, является достаточно сложной квантовой системой, а человек, который владеет этим инструментом — еще более сложной квантовой системой. Если у меня может быть три разных результата измерения спина, почему бы мне не войти в суперпозицию измерения каждого из трех возможных результатов?

Насколько нам известно, ни один человек не ощущает себя в состоянии суперпозиции — мы даже не знаем, каково это чувство на вкус и цвет. Результат измерения, как описано выше, согласно нашему опыту, равен одному определенному числу.

Чтобы перевести наблюдения квантовой механики «на язык нашего опыта», стандартная КМ предполагает, что измерительные приборы и наблюдатели классические в своем поведении. Не существует суперпозиции классических измерительных приборов и наблюдателей, поэтому измерение дает нам один определенный ответ, чего мы, собственно, и ожидаем. Такое заключение вполне закономерно, но физики от этого не стали лучше спать и меньше спорить.

Проблема в том, что есть масса причин полагать, что измерительные приборы и наблюдатели не являются на самом деле классическими в своем поведении. Скорее их волновая функция в сочетании с уравнением Шрёдингера дает полное описание возможного поведения объекта.

Неклассическое поведение больших измерительных приборов было доказано в рамках квантовой механики теоремой неразрешимости. Если структура квантовой механики сохраняется для всех систем, в конце процесса измерения наблюдатель, измеряющая аппаратура и измеряемый объект находятся в квантовой суперпозиции всех состояний в соответствии с волновой функцией измеряемого объекта.

Учитывая это, проблему квантового измерения можно озвучить так: почему измерение, которое проводится большими и сложными квантовыми устройствами (включая нас самих), выдает определенный и единичный результат? Если какой-то аспект в КМ сводит процесс измерения к определенному результату, то какой именно этот аспект? Можно ли вывести его в рамках существующей квантовой теории или же ее нужно расширить?

Оригинальные понятия коллапса волновой функции и классического наблюдателя были попыткой ответить на этот вопрос, но теорема неразрешимости показала, что этого недостаточно.

Некоторые ученые предположили, что уравнение Шрёдингера должно быть изменено, чтобы включить некоторые нелинейные члены, которые будут выдавать ясные состояния во время измерения. У этих предположений существует ряд проблем — хотя бы потому, что стандартная квантовая механика работает слишком хорошо, чтобы можно было запросто изменить фундаментальное уравнение, не испортив его хорошие части.

В многомировой интерпретации Эверетта проведение измерений с различными результатами приводит к образованию множества альтернативных вселенных — по одной для каждого возможного результата. Это позволяет решить проблему измерения: наблюдатель распадается вместе с измерительным прибором, поэтому не замечает кратности. Но в таком случае вам придется поверить в то, что вылет фотона из атома рождает новые вселенные…

Декогеренция, которая является следствием взаимодействия квантовой системы с ее окружением, может приводить к тому, что суперпозиционные состояния волновой функции неспособны взаимодействовать друг с другом, в результате чего их вероятности становятся независимыми. Некоторые полагают, что именно в этот момент волновая функция коллапсирует, другие — что это вообще не имеет никакого отношения к проблеме измерения, поскольку все вокруг создает суперпозицию, запутываясь с окружающей средой.

Что показал опрос физиков на QPNR на тему проблемы квантового измерения?

Проблемы нет (уйдет с появлением новых данных) — 20 %

Решение в декогеренции — 11 %

Решение где-то еще — 11 %

Серьезно угрожает квантовой механике — 18 %

Ничего из вышеуказанного — 20 %

С таким же успехом физики могли отвечать наугад.

Кот Шрёдингера и макроскопические суперпозиции

Квантовая механика
Мысленный эксперимент под названием «Кот Шрёдингера» известен многим. Кота, разумную и сложную квантовую систему, помещают в коробку. В коробке также находится молоток, активируемый радиоактивным излучением, который разобьет стеклянную бутылку с цианидом, как только обнаружит радиацию. Наконец, в коробке есть очень слабый радиоактивный источник, излучающий примерно одну частицу в час. Коробка звуконепроницаема, непрозрачна и наглухо закрыта. Вы сидите снаружи. Что будет с котом через час: будет он жив или мертв?

Суть эксперимента в том, что условия точно описываются квантовой механикой (распадется ли радиоактивный атом?), а сам он представлен классической проблемой (жив кот или мертв?). Мы хотим посмотреть, на каком этапе результат эксперимента перестанет находиться в компетенции КМ и станет обычным классическим «да» или «нет».

Основной аргумент таков: пока коробка не откроется, кот будет находиться в квантовой суперпозиции мертвого и живого кота. С другой стороны, если кот выступает в роли наблюдателя, он как минимум будет знать, что он жив. (Осознание котом того факта, что он умер, зависит от существования загробной жизни — и такое предлагается в квантовой механике). Обсуждение тянется бесконечно, вариантов ответов — масса.

В многомировой интерпретации судьба кота не так печальна. Когда коробка открывается, вселенная расщепляется на две: в одной кошка живет дальше, в другой нет.

Кот Шрёдингера стал отдельным вопросом в квантовой механике по опросу QPNR: «Возможны ли суперпозиции макроскопически различимых состояний (вроде мертвого/живого кота) в принципе, в лаборатории или принципиально невозможны?

В принципе возможны — 55 %

Возможны в лабораторных условиях — 30 %

Невозможны в принципе — 15 %

Этот вопрос очень важен, поскольку его можно проверить экспериментально.

Крупнейшей системой, которая была успешно введена в состояние квантовой суперпозиции, является квантовый микрофон весом в нанограмм (10 триллионов атомов) объемом около 450 кубических микрон. Намного меньше кота, но больше того, что связывают с обычными атомными и субатомными взаимодействиями — то есть тем, что обычно разбирает квантмех. Активное развитие создания квантовой суперпозиции больших объектов, наверное, основная причина того, почему ученые позитивно смотрят на макроскопические суперпозиции. Если идея работает на практике, со временем она найдет все больше и больше сторонников.

Одной из проблем в КМ является физическая реальность квантовых состояний. В опросе QPNR был такой вопрос: квантовое состояние только описывает реальность (эпистемическое) или является реальным, как электрическое поле, то есть его можно измерить (онтическое)?

Эпистемическое — 27 %

Онтическое — 24 %

И то, и другое — 33 %

Сугубо статистическое — 3 %

Другое — 13 %

Случайность в квантовой механике

Квантовая механика
Другим фундаментальным вопросом в квантовой механике является случайность отдельных квантовых событий, вроде того же распада радиоактивного атома. Квантовая механика предсказывает поведение, которое согласуется со случайным распадом с характерным периодом полураспада для этого распада (извините за тавтологию). Но случаен ли процесс распада, или просто кажется таким? В опросе QPNR было четыре варианта: скрытый детерминизм; только кажется случайным; минимальная случайность и случайность как фундаментальный принцип природы.

Скрытый детерминизм — это точка зрения Эйнштейна (мозг которого изучают и по сей день) — существует скрытый заводной механизм в основе того, что мы воспринимаем как квантовую реальность. Это явление на самом деле классическое и механистическое, но в настоящее время мы не можем его наблюдать.

Вселенная только кажется случайной в многомировых интерпретациях, похожих на эвереттову. Восприятие случайности — это всего лишь побочный эффект обнаружения себя в одной из новых ветвей вселенной.

И самая сложная часть заключается в разнице между минимальной случайностью и случайностью — фундаментальным принципом природы. Последнее вообще ускользает от понимания. Грубо говоря, минимальная случайность описывает Вселенную, в которой существуют явления, которые приводят к непредсказуемым результатам, а понятие фундаментальной случайности описывает вселенную, в самой основе работы которой лежит случайность. В отличие от скрытого детерминизма, фундаментальная случайность распространяется и на подуровни реальности, в случае существования таковых.

Результаты опроса:

Скрытый детерминизм — 0 %

Очевидная случайность — 7 %

Минимальная случайность — 40 %

Фундаментальная случайность — 53 %

Отсутствие поддержки скрытого детерминизма (прости, Эйнштейн), судя по всему, связано с экспериментальным подтверждением теоремы Белла. Согласно этой теореме, в нашей Вселенной не может быть скрытых параметров.

Забавно, что не все сторонники Эверетта согласны с тем, что наблюдаемая случайность является следствием нашего выбора в этой вселенной.

А вот два самых странных понятия набрали максимум. Похоже, это тот самый момент, когда неуверенность и неопределенность набирают силу уверенности и определенности.

Наука или предубеждение?

Квантовая механика
Чтобы подвести итоговую черту подо всей этой неописуемостью и поставить «жирную точку в интерпретации квантовой механики», спросим физиков, насколько их выбор зависит от личных философских предубеждений?

Сильно — 58 %

Слабо — 27 %

Не имеет значения — 15 %.

Честно говоря, такой опрос пахнет тем, что квантовая механика близка к статусу псевдонауки. Насколько точной может быть псевдонаука? Думаю, ответом на вопрос Ричарда Фейнмана «но как она вообще может быть такой?» в отношении квантовой механики будет стихотворение Федора Тютчева «Silentium!».

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.