Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Шрифт:
вычислено = 1,00115965218161(24),
измерено = 1,00115965218059(13)
(в скобках указан размер неточности в двух последних знаках). Результат вычисления опирается на «всё», что есть в квантовой теории {1} , и, вне всякого сомнения, свидетельствует, что имеющаяся теория не может быть радикально неправильной, если выражаться самым сдержанным образом.
Универсальная применимость. Основные правила квантового мира представляют собой фундаментальные законы природы. С каким охватом и насколько фундаментальные? До какой степени мы в них уверены?
1
Собственно, на квантовую теорию поля как общую схему, а также на Стандартную модель, описывающую все известные поля и их взаимодействия (мы говорим о ней в главе 25). Известно, что Стандартная модель не является полным описанием природы, поэтому расхождение между теоретическим и экспериментальным значениями неудивительно; удивительно, наоборот, что оно столь мало.
Ни одна
На фоне всех известных нам научных концепций квантовая механика дополнительно выделяется необычностью своего устройства. И тем не менее ни из одного угла Вселенной не поступает указаний, что базовые квантовые принципы требуют пересмотра. Вот характерное высказывание по этому поводу (заодно затрагивающее и следующую важную тему, правда, с использованием устрашающей терминологии):
Вполне возможно, что в один прекрасный день мы обнаружим расхождения квантовой теории с экспериментами. Однако данные на сегодняшний день подтверждают тот взгляд, что наша Вселенная является квантовой до самой сердцевины, и поэтому нам необходимо согласовать принцип суперпозиции, унитарность и их последствия – иллюстрируемые, например, нарушением неравенства Белла – с нашим восприятием и пониманием.
Устройство реальности: интерпретации. «Восприятие и понимание» в приведенной цитате – это о том, как, собственно, устроена квантовая реальность и наши взаимоотношения с ней, при том что мир вокруг нас совсем не выглядит квантовым. Выяснить это непросто: квантовая реальность прячется за сложением эффектов, происходящих от огромного числа объектов, а непосредственно «подглядеть» за ними поодиночке очень непросто уже по той причине, что квантовые объекты вообще никак не выглядят. Достигнутые успехи в понимании квантовой природы потребовали мышления с опорой не на наглядность, а на логику, вовлекающую математические абстракции. Но при этом в известной мере стирается грань между самими объектами и языком, на котором мы их обсуждаем. Не так просто разграничить три типа «вещей»: квантовую теорию как формально-математическую схему (необычайно успешную, как уже было сказано), квантовый мир «сам по себе» (ускользающий от прямого рассмотрения) и результаты измерений, которые мы получаем, изучая квантовые системы.
Недоговоренности по поводу того, «что есть что» в мире и в наших представлениях о нем, ничуть не мешают успехам квантовой механики, но только усиливают желание предложить интерпретации – основанные на некоторых дополнительных предположениях пояснения о том, «что все-таки происходит», что именно описывает квантовая теория и как оно связано с наблюдаемой структурой мира. В подавляющем большинстве традиционных руководств по квантовой механике вопросы различных интерпретаций практически не обсуждаются как слишком философские, да и не нужные для вычислений, но здесь им будет уделено должное внимание. Интерес к ним, надо сказать, составляет тенденцию последнего времени, отмеченную среди прочего недавней Нобелевской премией по физике и подпитываемую перспективой квантовых вычислений и расширяющимися экспериментальными возможностями.
Что же в книге? Разбиение на главы отражает содержательную часть, а не исторические вехи, как уже было сказано. Вот подсказки для нетерпеливых. Самые «веселые» (в значении, близком к «беззаботные») главы – 11 и 12; самые «практичные» (при общем отсутствии акцента на практических аспектах) – 17 и 18; самые сложные – 24 и 25; самая загадочная – 21; основные в отношении базисного содержания квантовой механики – 8, 9 и 10; самые «исторические» (при общем отсутствии акцента на исторических аспектах) – 6, 14 и 23. Про не упомянутые здесь главы нельзя сказать, что у них нет никаких качеств, просто не видно какого-то одного заведомо доминирующего. Для тех, кто не собирается читать по порядку, но сначала все же наткнулся на этот абзац, вот кратчайшее описание содержания.
Вслед за вводной главой 1 главные качественные особенности квантового мира обсуждаются в главах 2–5. Основные мотивы здесь – возникновение дискретности (глава 2), несовместимость различных свойств друг с другом (которую я называю враждой, чтобы избежать технически очень нагруженного высказывания; главы 3 и 4) и индетерминизм (глава 5). Промежуточный итог в некотором роде подводится в главе 6, отчасти с критических позиций, которые в свое время отстаивал Эйнштейн. Он руководствовался определенными представлениями об устройстве реальности, и в книге эти вопросы также появляются в этой главе. До некоторой степени техническое, но совершенно необходимое для всего дальнейшего «отступление» в главе 7 посвящено спину.
В главах 8 и 9 появляется основное средство для описания состояний квантовых систем – фундаментальное эволюционное уравнение, к которому «сама тянется рука» каждого профессионала перед лицом едва ли не любой квантовой задачи. Вооружившись этим знанием, в главе 10 мы на новом уровне возвращаемся к индетерминизму, а конкретно к вероятностям.
С этого момента становятся видны основные «недоговоренности» квантовой механики. Они представляют собой определенный вызов, и значительная часть книги (главы 11, 12, 13, 19, 20) посвящена вариантам ответа на него – интерпретациям квантовой механики. Они кажутся мне интересными не только каждая сама по себе, но еще и тем, насколько они непохожи. Мы пока не в состоянии эмпирически обосновать выбор между ними, но прогресс в технологиях уже позволил получить от природы ответ на конкретный вопрос о том, как в квантовой реальности (не) могут
Возможности квантовой механики в действии иллюстрируются на примере квантовой телепортации (глава 17) и квантовых вычислений (глава 18). Комбинация нескольких концепций в главе 21 позволяет заострить и уточнить вопросы об устройстве квантовой реальности. Столь важная для нас метаморфоза – «превращение» квантового мира внутри вещей в окружающий нас классический мир – обсуждается в главе 22.
Завершающие главы 23, 24, 25 – это переход от квантовой механики к релятивистской квантовой теории поля, начинающийся с бессмертной саги с Дираком в главной роли. Впрочем, кульминационную в этом сюжете главу 24 придется, возможно, пропустить из-за заметного превышения допустимого уровня абстракции (я надеюсь, что читатель великодушно простит мне «выпадение» около 4 % общего объема книги). Для «валидации» всей конструкции квантовых полей в глазах тех читателей, у кого она вызвала легкую оторопь, в главе 25 появляется Стандартная модель. Путеводитель по этой фундаментальной теории там искать не следует, но мне кажется важным в завершение книги добраться до самой квантовой «сердцевины».
В конце для справки приведены кратчайшие биографические сведения о почти всех упоминаемых в книге людях.
Если в этой книге есть сквозная тема, то это запутанность. Это существенно квантовое явление когда-то воспринималось как экзотика, но сейчас играет все более определяющую роль в нашем понимании того, как функционирует квантовый мир, одновременно находя применение в такой практической области, как тайнопись. Запутанность не сконцентрирована в какой-то одной главе, поэтому может оказаться полезным отдельный краткий путеводитель по тем местам, где она встречается.
Впервые запутанность упоминается в главе 6. Вообще-то она представляет собой свойство волновой функции, с которой мы знакомимся только в главе 8, и там, с учетом приобретенного знания, она обсуждается с использованием метафоры «квантового казино» (которая по существу является слегка замаскированной формой абстрактного математического определения). Запутанность, которая в согласии с фундаментальными правилами должна бы наблюдаться, но не наблюдается («практические» кошки не запутываются по Шрёдингеру), – предмет беспокойства и обсуждения начиная с главы 10. Разрешение противоречия, обсуждаемое в главе 11, основано на идее, что запутанности в мире не меньше, а больше, чем представляется: запутываются в том числе хозяева и хозяйки кошек, из-за чего их «копии» расходятся по различным вселенным. В главах 15 и 16 запутанность возникает во всей полноте как средство задавать природе тонкие вопросы о том, когда и как квантовые объекты приобретают свои свойства. В главе 17 запутанность – главная идея, потому что на ней и основана квантовая телепортация. В полной мере работает запутанность и в главе 18, где без нее от квантовых вычислений не осталось бы практически ничего. В главе 20 именно запутанность приводит к немедленному распространению локализации с одного электрона «на всю кошку». В главе 21 она играет не последнюю роль в знаменитом конфликте восприятий, намекающем на «конфликтную» структуру квантовой реальности, а в главе 22 она же делает все возможное, чтобы конфликты замаскировать и создать у всех нас иллюзию гладкой классической реальности.
Для некоторых читателей может оказаться полезным и еще один взгляд на часть содержания: с точки зрения уже упомянутых интерпретаций квантовой механики. Вообще их известно немало, поэтому неизбежен отбор. Вот что получилось:
(0) «Копенгагенское» (лучше: стандартное) понимание растворено в начальных главах и «дооформляется» в главе 10. (1) Из твердого следования логике уравнения Шрёдингера и полного доверия волновой функции как адекватному отображению мира вырастает многомировая интерпретация, обсуждаемая в главе 11. (2) В резком контрасте с ней – героический кьюбизм из главы 12, где волновая функция, а заодно и многое другое, оказывается всего лишь содержимым вашей головы. (3) Классике жанра – квантовой механике де Бройля – Бома – посвящена глава 13; уроки в отношении скрытых параметров и нелокальности (извлеченные не сразу, но послужившие триггером для важного дальнейшего развития) обсуждаются в главе 14. (4) Последовательные/основательные истории в главе 19 – это «копенгаген с человеческим лицом» в виде набора правил для любого рассказчика историй «из жизни квантовых объектов»; соблюдение их избавляет от противоречий внутри сюжета, но сюжетов получается столько же, сколько рассказчиков. (5) А в главе 20 постулируется механизм, который, возможно, недопридуман в «копенгагене», – самопроизвольная локализация волновой функции как физический процесс; это, строго говоря, уже не совсем интерпретация квантовой механики, а, скорее, ее развитие в другую теорию. Объять необъятное невозможно: здесь совсем не обсуждаются относительные состояния и модальные интерпретации и лишь едва упомянут супердетерминизм.
Любая форма – это ограничение. Во-первых, объем книги решительно не позволил затронуть даже теоретические аспекты квантовых явлений в веществе и квантовой оптики, не говоря уже о захватывающих экспериментальных подробностях. Эти обширнейшие области, развивающиеся самым активным образом и, собственно, производящие те самые «чудеса без нарушения законов природы», представляют собой все выразительнее звучащую симфонию квантовой теории; на них приходится львиная доля всех ее приложений. Сюда относится, строго говоря, вся электроника, а также фотоника, практическая квантовая криптография и многое другое. Одни только названия разнообразных эффектов звучат сверхзавлекательно (например, «кристаллы времени», «квантовое обращение времени», «топологические изоляторы», «квантовый эффект Зенона», «квантовые радары»). Каждый из них заслуживает отдельного эссе, а поскольку время от времени появляются не менее завлекательные новые эффекты, эта книга никогда не была бы закончена; да и вообще это темы для другой, куда менее «философской» книги. Я рассчитываю, однако, что их растущая актуальность разбудит и более «философский» интерес к тому, что лежит в основе как всех практических приложений квантовой теории, так и определяемых ею фундаментальных аспектов мироустройства.