Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Шрифт:
Выясняется, однако, что в применении к наблюдателям в ситуации «друзей Вигнера» одни только эти требования (в сочетании, разумеется, с квантовой механикой) уже приводят к логическому противоречию. Они, следовательно, не могут выполняться одновременно. Неудивительно, что обсуждаемый мысленный эксперимент так хочется приблизить к реальности.
Изолировать сколько-нибудь большую систему от внешнего мира невозможно, поэтому обсуждаются перспективы поручить роль коллеги или друга искусственному интеллекту высокого уровня, реализованному в квантовом компьютере. Над ним тогда можно было бы выполнять измерения, а он в свою очередь измерял бы спин одного кубита. Что бы он рассказал о пережитом? На данный момент практические достижения скромные: нарушение неравенств Белла было действительно установлено в «запутанном» эксперименте с двумя вигнерами и двумя друзьями, но роль последних исполняли всего лишь фотоны (точнее, выбираемые ими пути) – а фотон не все готовы считать настоящим другом. В общем, эксперимент показал, что в схеме, включающей
В свое время проверка неравенств Белла представлялась делом далекого будущего. «Повышение качества друзей» за счет развития технологий, возможно, позволит когда-нибудь точнее указать, в чем именно квантовая реальность расходится с классической. По крайней мере одна точка несогласия определенно есть, но их может быть и несколько.
Другой вопрос – каким же образом мы все-таки оказались вдали от обсуждаемых странностей мироустройства в окружающей нас классической реальности? Она-то откуда берется, если внутри все квантовое?
22
Что от Дарвина
Мир выглядел бы совершенно безумным, если бы в нашем восприятии отражалась даже малая часть экзотически запутанных состояний, которые в огромном количестве возникают в ходе эволюции волновой функции под управлением уравнения Шрёдингера. Общим местом была бы неопределенность положения и ориентации в пространстве; объекты находились бы в самых немыслимых комбинациях запутанных свойств. Кроме того, мир потерял бы всякую стабильность, потому что квантовые состояния хрупки и уязвимы: один-единственный наблюдатель, взявшийся за измерение без предварительного знания, изменит состояние системы на какое-то другое.
Вместо этого мы живем во вселенной, состоящей из множества классических систем: это бактерии, камни, деревья, тигры, планеты… Все они ведут себя так, чтобы нельзя было даже заподозрить их квантовое происхождение: они не вовлекаются в запутанность и не образуют новые состояния путем комбинирования других состояний. Они полноценно существуют «сами по себе», независимо от того, что о них известно, а наблюдения с целью выяснить их состояние никак это состояние не портят.
Такое положение дел и составляет то, что мы называем объективной классической реальностью. Она, однако, должна каким-то образом «вырастать» из квантовой реальности, сидящей в глубине вещей. И это притом, что в ходе развития волновой функции во времени возникает несравненно (в убедительном математическом смысле) больше экзотических состояний, чем тех, которые пригодны для создания классической картины мира.
Бесценные для нас немногочисленные состояния, участвующие в создании классической картины мира, оказываются, однако, «избранными» благодаря среде.
Каждая относительно самостоятельная система беспрестанно взаимодействует с тем, что находится вне ее. Ни одну систему нельзя полностью изолировать от всего на свете (при недосягаемости для любого взаимодействия она перестала бы быть частью физического мира). И по отношению ко всякой более-менее автономной системе весь остальной мир – это среда; хотя разделение между ними до некоторой степени условно, факт все же состоит в том, что «системы» существуют, а значит, как-то выделяются из среды {98} .
98
Проведение границы между «системой» и «средой» в общем понятно, но часто содержит в себе и долю условности: если система – автомобиль, то грязь, к нему приставшая, относится скорее к среде, однако если грязь делает нечитаемым номерной знак, то в определенных условиях это уже качество самого автомобиля; а если система – кошка, то как насчет воздуха у нее в легких или кислорода в крови? Применительно к квантовой теории высказывались соображения, что разделение между системой и средой предполагает некоторые свойства того и другого; они подразумеваются как часть нашего понимания самих понятий «система» и «среда» и могут неявно использоваться в рассуждениях. Поэтому основанная на таком разделении линия рассуждений временами подвергается критике за то, что часть получаемых выводов уже содержится в этих предположениях. Вероятно, критика не лишена оснований, но обойтись вообще без предположений едва ли возможно, и в каком-то месте в формальные рассуждения необходимо внести идею, что в природе существуют «системы» и «среда».
Среду не стоит недооценивать уже по той причине, что она играет роль информационного канала: наблюдаем мы не состояния сами по себе, а их «отпечатки», свидетельства о них в среде. Например, свидетельством существования этого текста среди прочего являются фотоны, отражаемые листом
Роль главного распорядителя во взаимоотношениях со средой принадлежит запутанности – по той простой причине, что квантовые состояния почти всегда представляют собой какие-то комбинации, а в таком случае любое взаимодействие, как мы неоднократно видели, вовлекает участников в запутанность в соответствии с уравнением Шрёдингера. «Вовлеченные» части среды и отражают («на них отпечатывается») состояние квантовой системы; говоря более формально, между состояниями системы и среды возникают корреляции.
Среда состоит из огромного числа относительно независимых элементов, и то, что мы наблюдаем при ее посредничестве, – итог создания колоссального числа «отпечатков». Пылинка диаметром около микрона рассеивает столько полученных от Солнца фотонов, что за одну микросекунду передает через них информацию о своем положении примерно 100 млн раз. При этом квантовые состояния, представляющие собой экзотические комбинации (пылинка в комбинации состояний «здесь» и «там»), сильно отстают и оказываются в этом смысле «не приспособленными к среде». Среда обеспечивает отбор, в результате которого выживают, множатся и потому наблюдаются только наиболее приспособленные к окружающим условиям.
Идея более успешного размножения самых приспособленных знакома нам по совсем другому поводу: она восходит к Дарвину и объясняет происхождение видов, т. е. биологическую эволюцию. Если полностью отвлечься от содержания и обсуждать только формальные признаки, главные идеи дарвиновского отбора – это репродукция, наследуемая изменчивость (небольшие вариации в свежесоздаваемых экземплярах, передаваемые затем следующим копиям) и избирательное выживание наиболее подходящих из них (собственно естественный отбор). Концепция возникновения наблюдаемого классического мира из ненаблюдаемого и чуждого ему квантового получила поэтому название квантового дарвинизма {99} .
99
Разумеется, теория эволюции в биологии включает в себя еще и огромный и все увеличивающийся объем знаний о механизмах изменчивости и наследования, не имеющий никакого отношения к основам квантовой теории. Заимствованный термин остается термином и в своем новом значении и означает не все на свете, а вполне определенную комбинацию идей. Программная работа по квантовому дарвинизму – статья Зурека (автора цитаты, приведенной во Введении): Zurek W. H. «Quantum Darwinism,» Nature Physics, 5 (2009), 181–188; arXiv:0903.5082 [quant-ph]. Этот подход непрерывно развивается, и обзор современных проблем можно найти в Zurek W. H. «Quantum Theory of the Classical: Einselection, Envariance, Quantum Darwinism and Extantons,» Entropy (Basel), 24(11) (2022), 1520; arXiv:2208.09019 [quant-ph]. Декогеренция, из которой вырос квантовый дарвинизм и о которой говорится далее в этой главе, долгое время оставалась идеей, по существу, одного исследователя, поддерживаемого несколькими сподвижниками. Обзор можно найти, например, в его работах: Zeh H. D. «The Meaning of Decoherence,» Lect. Notes Phys. 538 (2000), 19–42; arXiv: quant-ph/9905004, и Zeh H. D. «Roots and Fruits of Decoherence,» in B. Duplantier, J.-M. Raimond, V. Rivasseau (eds), Quantum Decoherence. Progress in Mathematical Physics, 48 (Birkhauser, Basel, 2006); arXiv: quant-ph/0512078. На русском языке доступны, в частности, работы: Менский М. Б. Явление декогеренции и теория непрерывных квантовых измерений // УФН. 1998. Т. 168. С. 1017–1035; Менский М. Б. Диссипация и декогеренция квантовых систем // УФН. 2003. Т. 173. С. 1199–1219 (автор читал мне лекции в мою бытность студентом, а в последнее десятилетие своей жизни был моим коллегой по лаборатории).
Привычные нам состояния кошек и всего остального отличаются своей успешностью в соревновании под девизом «Оставь в среде как можно больше отпечатков». Кошку, пребывающую в запутанном состоянии неясности относительно жизни и смерти, не видно в записях, оставленных в среде. Доступны только (многократно повторяющиеся) записи одной из возможностей – живая или мертвая. Фраза «контроль окружающей среды» приобретает новое актуальное звучание, и вот как это работает.
Во-первых, состояния квантовых систем, которые имеют шансы быть «заметными» в классической вселенной, должны обладать относительной устойчивостью при взаимодействии со средой: от них требуется не слишком сильно изменяться от этого взаимодействия. Во-вторых, требуется устойчивость «отпечатков» состояний в среде (устойчивость корреляций состояний со средой). Здесь обсуждается уже не то, как среда влияет на систему, а как квантовая система влияет на среду. Правда, говорят при этом, что среда наблюдает или измеряет квантовую систему, потому что «отпечатки», оставленные в среде, до некоторой степени наделяют ее ролью измерительного прибора (задача которого ведь в том и состоит, чтобы так или иначе отобразить в своем состоянии свойства измеряемой системы).