Журнал «Вокруг Света» №10 за 2009 год - Вокруг Света

Орфей и Эвридика

Возьмем, к примеру, одиночный радиоактивный атом. По законам квантовой механики он спонтанно распадается в непредсказуемый заранее момент времени. Поэтому его волновая функция представляет сумму двух компонент: одна описывает целый атом, а другая — распавшийся. Вероятность, соответствующая первой, убывает, а второй — растет. Физики в такой ситуации говорят о суперпозиции двух несовместимых между собой состояний. Если проверить состояние атома, произойдет коллапс его волновой функции и атом с определенной вероятностью окажется либо целым, либо распавшимся. 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.

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.

Понять смысл интерпретации Эверетта помогает такая аналогия. Представьте себе страну с многомиллионным населением. Каждый ее житель по-своему оценивает происходящие события. В некоторых он прямо или косвенно принимает участие, что меняет как страну, так и его взгляды. Формируются миллионы разных картин мира, которые своими носителями воспринимаются как самая настоящая реальность. Но при этом есть еще и сама страна, которая существует независимо от чьих-то представлений, обеспечивая возможность для их существования. Точно так же единая квантовая Вселенная Эверетта дает место для огромного числа независимо существующих классических картин мира, возникающих у разных наблюдателей. И все эти картины, согласно Эверетту, совершенно реальны, хотя каждая существует лишь для своего наблюдателя.

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

Решающим аргументом в споре Эйнштейн — Бор стал парадокс, который за 70 лет прошел путь от мысленного эксперимента до работающей технологии. Его идею в 1935 году предложил сам Альберт Эйнштейн совместно с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном. Их целью было продемонстрировать неполноту копенгагенской интерпретации, получив из нее абсурдный вывод о возможности мгновенного взаимовлияния двух частиц, разделенных большим расстоянием. Через 15 лет американский специалист по копенгагенской интерпретации Дэвид Бом, тесно сотрудничавший с Эйнштейном в Принстоне, придумал принципиально осуществимую версию эксперимента с использованием фотонов. Прошло еще 15 лет, и Джон Стюарт Белл формулирует четкий критерий в форме неравенства, позволяющий опытным путем проверить наличие скрытых параметров у квантовых объектов. В 1970-х годах несколько групп физиков ставят эксперименты по проверке соблюдения неравенств Белла, получая противоречивые результаты. Лишь в 1982— 1985 годах Алан Аспект в Париже, значительно увеличив точность, окончательно доказывает, что Эйнштейн был неправ. А спустя 20 лет сразу несколько коммерческих фирм создали технологии сверхсекретных каналов связи, основанные на парадоксальных свойствах квантовых частиц, которые Эйнштейн считал опровержением копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Из тени в свет

На диссертацию Эверетта мало кто обратил внимание. Сам Эверетт еще до защиты принял приглашение от военного ведомства, где возглавил одно из подразделений, занимающихся численным моделированием последствий ядерных конфликтов, и сделал там блестящую карьеру. Его научный руководитель Джон Уилер поначалу не разделял взглядов своего воспитанника, но они нашли компромиссный вариант теории, и Эверетт представил ее для публикации в научный журнал Reviews of Modern Physics. Редактор Брайс Девитт отнесся к ней весьма негативно и намеревался отклонить статью, но потом неожиданно стал горячим сторонником теории, и статья вышла в июньском номере журнала за 1957 год. Однако с послесловием Уилера: я, мол, не думаю, что все это правильно, но это как минимум любопытно и не бессмысленно. Уилер настаивал, что теорию необходимо обсудить с Нильсом Бором, но тот фактически отказался ее рассматривать, когда в 1959 году Эверетт полтора месяца провел в Копенгагене. Однажды в 1959 году, будучи в Копенгагене, Эверетт встречался с Бором, но и на него новая теория не произвела впечатления.