Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Грин Брайан

В последние годы физики потратили много усилий в попытках объяснить правила природы, – чтобы точно постичь, как фундаментальные законы квантовой физики преобразуются в классические законы, которые столь успешны при объяснении общепринятого опыта, – в сущности, чтобы постичь, как атомное и субатомное сбрасывает свою магическую причудливость, когда оно объединяется, чтобы сформировать макроскопические объекты. Исследования продолжаются, но многое уже изучено. Посмотрим на некоторые аспекты, особенно уместные в связи с вопросом о стреле времени, но теперь с точки зрения квантовой механики.

Классическая механика основывается на уравнениях, которые Ньютон открыл в поздние 1600е годы. Электромагнетизм основывается на уравнениях, которые Максвелл открыл в поздние 1800е годы. СТО основывается на уравнениях, которые открыл Эйнштейн в 1905, а ОТО основывается на уравнениях, которые он открыл в 1915. Что все эти уравнения имеют общего, и что является центральным в дилемме стрелы времени (как объясняется в предыдущей главе), так это их полностью

симметричное рассмотрение прошлого и будущего. Нигде в любом из этих уравнений нет чего-либо, что различает время, направленное "вперед", от времени, направленного "назад". Прошлое и будущее рассматриваются на одинаковых основаниях.

Квантовая механика основывается на уравнении, которое Эрвин Шредингер открыл в 1926. [6] Вам не нужно знать чего-либо об этом уравнении, кроме того факта, что оно принимает в качестве входных данных форму квантовомеханической вероятностной волны в один момент времени, как на Рис. 4.5, и позволяет определить, как вероятностная волна будет выглядеть в любой другой момент времени, более ранний или более поздний. Если вероятностная волна ассоциируется с частицей, такой как электрон, вы можете использовать ее для предсказания вероятности того, что в любое выделенное время эксперимент найдет электрон в любом выделенном месте. Подобно классическим законам Ньютона, Максвелла и Эйнштейна квантовый закон Шредингера включает в себя равноправное рассмотрение времени-будущего и времени-прошлого. "Фильм", показывающий вероятностную волну стартующей в таком виде и заканчивающей в этаком виде, может быть запущен в обратном направлении, – показывая вероятностную волну, стартующую в этаком виде, а заканчивающую в таком виде, – и нет способа сказать, что одна эволюция правильна, а другая ложна. Обе одинаково являются решениями уравнения Шредингера. Обе одинаково представляют осмысленные пути, по которым вещи могут эволюционировать. [7]

6. Квантовая механика также может базироваться на эквивалентном уравнении, представленном в другой форме (известной как матричная механика) Вернером Гейзенбергом в 1925. Для склонного к математике читателя уравнение Шредингера есть: Н(x,t) = ihd(x,t)/dt, где Н обозначает гамильтониан, обозначает волновую функцию, а h есть постоянная Планка.

7. Подготовленный читатель отметит, что я пропустил тут одно тонкое место. А именно, мы должны были взять комплексно сопряженную волновую функцию частицы, чтоб обеспечить, что она решает обращенную во времени версию уравнения Шредингера. Это означает, что описанный в комментарии 2 к Главе 6 оператор Т действует на волновую функцию (x,t) и отображает ее в ^*(x,–t). Это не имеет существенного влияния на обсуждение в тексте.

Конечно, "фильм", о котором идет речь полностью отличается от аналогов, использованных при анализе движения теннисного мяча или разбивающегося яйца в последней главе. Вероятностные волны не есть вещи, которые мы можем видеть непосредственно; не существует камеры, которая могла бы зафиксировать вероятностные волны на пленку. Вместо этого, мы можем описать вероятностные волны с использованием математических уравнений, и перед нашим мысленным взором мы можем представить простейшие из них, имеющие форму как на Рис. 4.5 и 4.6. Но единственный доступ, который мы имеем к самим вероятностным волнам, является косвенным, через процесс измерения. Это есть, как было обрисовано в Главе 4 и неоднократно было видно в рассмотренных выше экспериментах, стандартная формулировка квантовой механики, описывающая разворачивание явлений с использованием двух совершенно отличных этапов. На первом этапе вероятностная волна – или, на более точном полевом языке, волновая функция – объекта, такого как электрон, эволюционирует в соответствии с уравнением, открытым Шредингером. Это уравнение гаранирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно, почти как водяная волна изменяет свою форму, когда путешествует от одного берега озера к другому.* В стандартном описании второго этапа мы осуществляем контакт с наблюдаемой реальностью путем измерения положения электрона, и когда мы так делаем, форма его волновой функции резко и прерывисто изменяется. Волновая функция электрона больше не похожа на более привычные примеры вроде водяных волн или волн звука: когда мы измеряем положение электрона, его волновая функция вздымается пиком или, как показано на Рис. 4.7, схлопывается, падая до величины 0 везде, где частица не найдена, и возрастая до 100 процентов вероятности в единственном положении, где частица найдена измерением.

Первый этап – эволюция волновой функции в соответствии с уравнением Шредингера – математически строгий, полностью недвусмысленный и полностью принятый физическим сообществом. Второй этап – коллапс волновой функции при измерении – наоборот, является чем-то, что на протяжении последних восьми десятков

лет, в лучшем случае, держит физиков в тихом смущении, а в худшем провоцирует проблемы, загадки и потенциальные парадоксы, которые разрушают карьеры. Сложность, как отмечалось в Главе 4, в том, что в соответствии с уравнением Шреднигера волновые функции не коллапсируют. Коллапс волновой функции представляет собой добавление. Оно было введено после открытия Шреднгером своего уравнения в попытке оценить, что же экспериментаторы на самом деле видят. Хотя сырая, несколлапсированная волновая функция воплощает странную идею, что частица находится и тут и там, экспериментаторы никогда не видят этого. Они всегда находят частицу определенно в том или ином положении; они никогда не видят ее частично тут, а частично там; игла в их измерительных приборах никогда не зависает в нерешительности в некоторой призрачной смеси, отмечая и эту величину и также ту величину.

То же самое происходит, конечно, при наших собственных бессистемных наблюдениях окружающего нас мира. Мы никогда не наблюдаем, чтобы кресло было и тут, и там; мы никогда не наблюдаем Луну одновременно в одной части ночного неба, а также и в другой; мы никогда не видим кота, который одновременно и жив, и мертв. Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путем постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределенности и ввести одну из множества потенциальных возможностей (частица здесь или частица там) в реальность.

(*)"Квантовая механика справедливо имеет репутацию чего-то гладкого и постепенного; однако, как мы явно увидим в последних главах, она обнаруживает турбулентный и дрожащий микрокосмос. Причиной этого дрожания является вероятностная природа волновой функции – даже если вещи могут существовать одним способом в один момент, имеется вероятность, что они будут существенно отличаться моментом позже, – а не всегда присутствующие дрожания, характеризующие саму волновую функцию."

Загадка квантового измерения

Но как проведение измерения экспериментатором принуждает волновую функцию к коллапсу? Фактически, когда реально происходит коллапс волновой функции, и если он происходит, что реально происходит на микроскопическом уровне? Вызывают ли коллапс любое и всякое измерения? Когда происходит коллапс и как долго это длится? Поскольку в соответствии с уравнением Шредингера волновая функция не коллапсирует, какое уравнение описывает второй этап квантовой эволюции и как новое уравнение свергает шредингеровское, узурпируя его обычную нерушимую власть над квантовыми процессами? И, что важно для нашего текущего отношения со стрелой времени, в то время, как уравнение Шредингера, уравнение, которое управляет первым этапом, не делает различий между прямым и обратным направлением во времени, вводит ли уравнение для второго этапа фундаментальную асимметрию между временем до и временем после того, как измерение произведено? То есть вводит ли квантовая механика, включая ее сопряжение с повседневным миром через измерения и наблюдения, стрелу времени в основные законы физики? Как никак, мы обсудили ранее, как квантовая трактовка прошлого отличается от трактовки прошлого в классической физике и что мы подразумевали под прошлым перед тем, как отдельные измерения и наблюдения имели место. Так, делая измерения, воплощенные во втором этапе коллапса волновой функции, устанавливаем ли мы асимметрию между прошлым и будущим, между до и после того, как измерение проведено?

Эти вопросы упорно сопротивляются полному решению и они остаются спорными. Тем не менее, после десятилетий, предсказательную мощь квантовой теории тяжело скомпроментировать. Формулировка квантовой теории в виде этапа один/этапа два, даже если этап два остается таинственным, предсказывает вероятности измерений одного результата за другим. И эти предсказания подтверждены повторением заданных экспериментов снова и снова и проверкой частоты, с которой тот или иной результат найден. Фантастический экспериментальный успех этого подхода намного перевешивает дискомфорт от отсутствия точного описания того, что на самом деле происходит на втором этапе.

Но дискомфорт всегда рядом. И он означает не просто, что некоторые детали коллапса волновой функции не вполне выяснены. Проблема квантового измерения, как она называется, является предметом спора, что говорит о пределах и универсальности квантовой механики. Это просто увидеть. Подход с этапом один/этапом два вводит раскол между тем, что наблюдается (электрон, или протон или атом, например) и экспериментатором, который наблюдает. Перед тем, как экспериментатор появляется на сцене, волновая функция счастливо и плавно эволюционирует в соответствии с уравнением Шредингера. Но тогда, когда экспериментатор вмешивается с вещами для проведения измерения, правила игры неожиданно меняются. Уравнение Шредингера отбрасывается в сторону и наступает коллапс из второго этапа. И еще, раз уж нет разницы между атомами, протонами и электронами, которые составляют экспериментатора и оборудование, которое он или она использует, и атомами, протонами и электронами, которые он или она изучает, так почему же имеется разрыв в том, как квантовая механика трактует их? Если квантовая механика является универсальной теорией, которая применима без ограничений к чему угодно, наблюдаемое и наблюдатель должны рассматриваться в точности одинаковым образом.