Что такое квантовая механика и почему квантовый мир можно рассчитать и даже понять, но не удается вообразить? В попытке представить себе построенную на этих принципах Вселенную (а точнее, даже целые грозди, веера вселенных) многие специалисты по квантовой физике углубляются в философские и даже мистические сферы.
Добавить в моё избранное
16 мин, 59 сек 15091
Но в какой момент происходит этот коллапс — когда измерительный прибор взаимодействует с атомом или когда о результатах узнает наблюдатель-человек?
Оба варианта выглядят непривлекательно. Из первого следует неприемлемый вывод о том, что атомы измерительного прибора чем-то отличаются от остальных, раз под их влиянием происходит коллапс волновой функции вместо образования запутанного состояния, как должно быть при взаимодействии квантовых частиц. Второй вариант вносит в теорию так нелюбимый физиками субъективизм. Приходится согласиться, что сознание наблюдателя (тело его с точки зрения квантовой механики — все тот же прибор) непосредственно влияет на волновую функцию, то есть на состояние квантового объекта.
Эта проблема была заострена Эрвином Шрёдингером в форме знаменитого мысленного эксперимента. Поместим в ящик кота и устройство с ядом, которое срабатывает при распаде радиоактивного атома. Закроем ящик и подождем, пока вероятность распада достигнет, скажем, 50%. Поскольку никакой информации из ящика к нам не поступает, находящийся в нем атом описывается как суперпозиция целого и распавшегося. Но теперь состояние атома неразрывно связано с судьбой кота, который, до тех пор пока ящик остается запертым, пребывает в странном состоянии суперпозиции живого и мертвого. Но стоит только вскрыть ящик, мы увидим либо голодное животное, либо бездыханный труп, причем, скорее всего, окажется, что в таком состоянии кот пребывает уже некоторое время. Выходит, пока ящик был закрыт, в нем параллельно развивались как минимум две версии истории, но достаточно одного осмысленного взгляда внутрь ящика, чтобы реальной осталась лишь одна из них.
Как тут не вспомнить миф об Орфее и Эвридике:
«Когда бы мог // Он обернуться (если б обернувшись, // Он своего деянья не разрушил, // Едва-едва свершенного) — увидеть // Он мог бы их, идущих тихо следом» («Орфей. Эвридика. Гермес» Р. М. Рильке). Согласно копенгагенской интерпретации, квантовое измерение, подобно неосторожному взгляду Орфея, мгновенно уничтожает целый куст возможных миров, оставляя только один прут, по которому движется история.
В момент измерения наблюдатель вступает во взаимодействие с квантовым объектом, и после этого ни состояние наблюдателя, ни состояние объекта не могут быть описаны отдельными волновыми функциями: их состояния спутываются, и волновую функцию можно написать только для единого целого — системы «наблюдатель + наблюдаемое». Чтобы завершить измерение, наблюдатель должен сопоставить свое новое состояние с прежним, зафиксированным в его памяти. Для этого возникшую в момент взаимодействия запутанную систему надо вновь разделить на наблюдателя и объект. Но сделать это можно по-разному. В результате получаются разные значения измеряемой величины, но, что еще более интересно, разные наблюдатели. Выходит, что в каждом акте квантового измерения наблюдатель как бы расщепляется на несколько (возможно бесконечно много) версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную историю и свою версию Вселенной. С учетом этого интерпретацию Эверетта часто называют многомировой, а саму многовариантную Вселенную — Мультиверсом (чтобы не путать ее с космологическим Мультиверсом — множеством независимых миров, образующихся в некоторых моделях Вселенной, — некоторые физики предлагают называть ее Альтерверсом).
Идея Эверетта непроста и нередко трактуется ошибочно. Чаще всего можно услышать, будто при каждом столкновении частиц вся Вселенная разветвляется, порождая множество копий по числу возможных исходов столкновения. На самом деле квантовый мир, по Эверетту, — ровно один. Поскольку все его частицы прямо или косвенно взаимодействовали друг с другом и находятся поэтому в запутанном состоянии, его фундаментальным описанием является единая мировая волновая функция, которая плавно эволюционирует по линейным законам квантовой механики. Этот мир столь же детерминирован, как лапласовский мир классической механики, в котором, зная положения и скорости всех частиц в определенный момент времени, можно рассчитать все прошлое и будущее. В мире Эверетта бесчисленное множество частиц заменено сложнейшей волновой функцией. Это не приводит к неопределенностям, поскольку Вселенную никто не может наблюдать извне. Однако внутри можно бесчисленным множеством способов разделить ее на наблюдателя и окружающий мир.
Оба варианта выглядят непривлекательно. Из первого следует неприемлемый вывод о том, что атомы измерительного прибора чем-то отличаются от остальных, раз под их влиянием происходит коллапс волновой функции вместо образования запутанного состояния, как должно быть при взаимодействии квантовых частиц. Второй вариант вносит в теорию так нелюбимый физиками субъективизм. Приходится согласиться, что сознание наблюдателя (тело его с точки зрения квантовой механики — все тот же прибор) непосредственно влияет на волновую функцию, то есть на состояние квантового объекта.
Эта проблема была заострена Эрвином Шрёдингером в форме знаменитого мысленного эксперимента. Поместим в ящик кота и устройство с ядом, которое срабатывает при распаде радиоактивного атома. Закроем ящик и подождем, пока вероятность распада достигнет, скажем, 50%. Поскольку никакой информации из ящика к нам не поступает, находящийся в нем атом описывается как суперпозиция целого и распавшегося. Но теперь состояние атома неразрывно связано с судьбой кота, который, до тех пор пока ящик остается запертым, пребывает в странном состоянии суперпозиции живого и мертвого. Но стоит только вскрыть ящик, мы увидим либо голодное животное, либо бездыханный труп, причем, скорее всего, окажется, что в таком состоянии кот пребывает уже некоторое время. Выходит, пока ящик был закрыт, в нем параллельно развивались как минимум две версии истории, но достаточно одного осмысленного взгляда внутрь ящика, чтобы реальной осталась лишь одна из них.
Как тут не вспомнить миф об Орфее и Эвридике:
«Когда бы мог // Он обернуться (если б обернувшись, // Он своего деянья не разрушил, // Едва-едва свершенного) — увидеть // Он мог бы их, идущих тихо следом» («Орфей. Эвридика. Гермес» Р. М. Рильке). Согласно копенгагенской интерпретации, квантовое измерение, подобно неосторожному взгляду Орфея, мгновенно уничтожает целый куст возможных миров, оставляя только один прут, по которому движется история.
Единая мировая волна
Вопросы, связанные с проблемой квантовых измерений, постоянно подогревали интерес физиков к поискам новых интерпретаций квантовой механики. Одну из самых интересных идей в этом направлении выдвинул в 1957 году американский физик из Принстонского университета Хью Эверетт III. В своей диссертации он поставил на первое место принцип линейности, а значит, и непрерывность действия линейных законов квантовой механики. Это привело Эверетта к выводу, что наблюдателя нельзя рассматривать в отрыве от наблюдаемого объекта, как некую внешнюю сущность.В момент измерения наблюдатель вступает во взаимодействие с квантовым объектом, и после этого ни состояние наблюдателя, ни состояние объекта не могут быть описаны отдельными волновыми функциями: их состояния спутываются, и волновую функцию можно написать только для единого целого — системы «наблюдатель + наблюдаемое». Чтобы завершить измерение, наблюдатель должен сопоставить свое новое состояние с прежним, зафиксированным в его памяти. Для этого возникшую в момент взаимодействия запутанную систему надо вновь разделить на наблюдателя и объект. Но сделать это можно по-разному. В результате получаются разные значения измеряемой величины, но, что еще более интересно, разные наблюдатели. Выходит, что в каждом акте квантового измерения наблюдатель как бы расщепляется на несколько (возможно бесконечно много) версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную историю и свою версию Вселенной. С учетом этого интерпретацию Эверетта часто называют многомировой, а саму многовариантную Вселенную — Мультиверсом (чтобы не путать ее с космологическим Мультиверсом — множеством независимых миров, образующихся в некоторых моделях Вселенной, — некоторые физики предлагают называть ее Альтерверсом).
Идея Эверетта непроста и нередко трактуется ошибочно. Чаще всего можно услышать, будто при каждом столкновении частиц вся Вселенная разветвляется, порождая множество копий по числу возможных исходов столкновения. На самом деле квантовый мир, по Эверетту, — ровно один. Поскольку все его частицы прямо или косвенно взаимодействовали друг с другом и находятся поэтому в запутанном состоянии, его фундаментальным описанием является единая мировая волновая функция, которая плавно эволюционирует по линейным законам квантовой механики. Этот мир столь же детерминирован, как лапласовский мир классической механики, в котором, зная положения и скорости всех частиц в определенный момент времени, можно рассчитать все прошлое и будущее. В мире Эверетта бесчисленное множество частиц заменено сложнейшей волновой функцией. Это не приводит к неопределенностям, поскольку Вселенную никто не может наблюдать извне. Однако внутри можно бесчисленным множеством способов разделить ее на наблюдателя и окружающий мир.
Страница 3 из 6
