Квантовая механика и трансцедентальность

Мысль изречённая есть ложь.

Тютчев

В квантовой механике можно выделить два различных ответвления. Одно ориентировано на получение теоретических и экспериментальных результатов, другое – на интерпретацию квантовой механики. Неоднозначность понимания квантовой механики вызвала к жизни многочисленные её истолкования. Они по-разному решают проблемы коллапса (редукции) волновой функции и квантовых измерений, квантовой телепортации, а также других, противоречащих здравому смыслу явлений, наблюдаемых в квантовой механике.

По мнению Бора, «как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. <…> Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики. <…> Поведение атомных объектов невозможно отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления»^[43].

Вопреки Бору Эйнштейн был уверен: «Существует нечто вроде "реального состояния" физической системы, существующего объективно, независимо от какого-то ни было наблюдения или измерения, которое в принципе можно описать с помощью имеющихся в физике средств»^[44].

Спор между Бором и Эйнштейном остался незавершённым – физики-теоретики до настоящего времени не смогли создать непротиворечивую квантовую теорию измерения.

Одним из центральных понятий в квантовой механике является квантовая суперпозиция. В квантовой суперпозиции система может находиться не только в одном конкретном состоянии, но и одновременно в двух или более состояниях. Классический пример квантовой суперпозиции – двухщелевой эксперимент, названный известным физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом в «Фейнмановских лекциях по физике» явлением, «….которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится сама суть квантовой механики».

Первым двухщелевой эксперимент провёл в начале XIX в. английский учёный Томас Юнг. Суть эксперимента в следующем. Имеется источник частиц, например электронов, и пластинка с двумя тонкими щелями; сзади установлен экран, на котором пролетающие через щели частицы оставляют следы.

Если мы закроем первую щель, увидим на экране тонкую полосу напротив второй щели. Если закроем вторую щель и откроем первую, полоса появится напротив первой щели. Открыв обе щели, мы будем наблюдать вместо полосы против одной из щелей интерференционную картину, что свидетельствует о прохождении частицы одновременно через обе щели. Следует отметить, что математическое описание этого процесса полностью соответствует экспериментальным данным.

Поставив около каждой щели детектор, мы обнаружим, что при прохождении электрона через экран срабатывает только один из детекторов и интерференция не наблюдается. Суперпозиции состояний нет. Наблюдение перевело объект из суммы неопределённых квантовых состояний в одно наблюдаемое классическое состояние.

Для объяснения эксперимента учёные предположили, что состояние частицы, обладающей волновыми свойствами, можно описать волновой функцией. Если частица прошла через одну щель, у неё одно состояние и одна волновая функция. Если частица прошла через другую щель, у неё другое состояние и другая волновая функция. При двух открытых щелях, согласно принципу квантовой суперпозиции, частица находится в суперпозиции первого и второго состояния (одновременно проходит через две щели). При этом её волновая функция – функция двух волновых функций, вызывающих интерференционную картину.

Принцип квантовой суперпозиции утверждает, что если квантовый объект, например электрон, может находиться в состоянии 1 и в состоянии 2, то он может находиться и в суперпозиции состояний – одновременно в состоянии 1 и 2. Суперпозиция – это не совокупность двух классических состояний частицы, а нелокализованное в пространстве состояние, в котором электрон как классический объект не существует.

Суперпозиция состояний обходит стороной тот факт, что, открывая вторую щель, мы изменяем поведение электрона, когда он проходит через первую щель. При двух открытых щелях каждая из них влияет друг на друга.

В 2016 г. международная группа экспериментаторов, возглавляемая американским профессором физики Робертом Бойдом, экспериментально подтвердила, что при прохождении фотона через три щели вклад в результирующую интерференционную картину вносят и невозможные для классической физики траектории. Это, например, траектории, по которым частица входит в одну щель, затем движется назад, проходит через другую щель и изменив траекторию выходит через третью щель.

Состояние частицы после прохода трёх щелей не эквивалентно сумме состояний её прохода в отдельности через каждую из щелей при закрытых двух других. Трёхщелевой эксперимент показал некорректность распространённого понимания принципа квантовой суперпозиции.

В 1942 г. Ричард Фейнман предложил альтернативное описание квантовой механики через интеграл по траекториям. В его основу вместо уравнения Шрёдингера для волновой функции определено не уравнение, а бесконечное интегрирование по всем возможным траекториям. Фейнман учитывал не только классические траектории при передвижении частицы из одной точки в другую, но и все без исключения траектории, соединяющие эти точки. При этом каждая из траекторий имела свой «вес». Наибольший вклад давали траектории, близкие к тем, которые предсказывает классическая физика^[45].

Такой подход позволил наглядно связать квантовое и классическое описание движения. Интеграл по траекториям можно свести к дифференциальному уравнению Шрёдингера, поэтому первичной остаётся всё-таки волновая функция, трактовка которой сводится к перезаписи уравнения Шрёдингера^[46].

В нашем представлении прохождение частицы по всем траекториям одновременно имеет физический смысл в том случае, если предположить, что в данный момент времени частица находится или в состоянии частицы, или в состоянии волны. При этом движущаяся частица пребывает попеременно в каждом из этих состояний (см «Квантовый мир и движение»).

Дискуссии среди учёных по вопросу интерпретации квантовой механики продолжаются более 75 лет и фактически зашли в тупик. В настоящее время существует около 20 интерпретаций квантовой механики, и, по выражению профессора А. Н. Верхозина, «каждая из них содержит зерно истины».

Наибольшее распространение получила копенгагенская интерпретация. На втором месте – многомировая (эвереттовская) интерпретация, после неё – бомовская и далее, с большим отрывом по числу сторонников – остальные интерпретации^[47].

В основе копенгагенской интерпретации, сформулированной Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, лежат два принципиальных положения:

а) вне наблюдения реальности не существует;

б) реальность «создаётся» самим наблюдателем.

По утверждению Бора, для выявления результата измерения требуется классический прибор. При измерении квантовый объект взаимодействует с измерительным прибором, что вызывает коллапс волновой функции измеряемого микрообъекта. В итоге суперпозиция переходит в одно наблюдаемое состояние.

Эвереттовская интерпретация со многими вселенными разрешает проблему коллапса волновой функции; бомовская предполагает возвращение физики к детерминизму, однако страдает выраженной нелокальностью.

В последнее время наметился интерес к информационной трактовке квантовой механики. Одна из причин – технологические достижения квантовой информатики. Вторая причина в том, что многие исследователи надеются с помощью информационной интерпретации квантовой механики разрешить трудности стандартной интерпретации.

Несмотря на то, что квантовая механика считается универсальной теорией, приложенная к макромиру, она порождает парадоксы. Наиболее известные из них – парадокс «кота Шрёдингера» и парадокс «друга Вигнера».

Суть мысленного эксперимента «кота Шрёдингера» в следующем. В закрытом ящике находится кот, счётчик Гейгера, ионизирующая частица и баллон с ядовитым газом. Если микрочастица проявит себя как корпускула, счётчик сработает, включит баллончик с ядовитым газом, и животное умрёт. Если частица поведёт себя как волна, кот будет живым.

Что можно сказать о коте, глядя на закрытый ящик? С бытовой точки зрения вероятность, что кот жив или мёртв 0,5:0,5. С позиций квантовой механики кот одновременно и жив, и мёртв и находится в суперпозиции двух состояний: живого и мёртвого кота. Это странное состояние будет продолжаться до тех пор, пока наблюдатель не проведёт измерение (заглянет в ящик) и таким образом снимет неопределённость.

Но кот не может быть одновременно и жив, и мёртв. По утверждению Шрёдингера реальность не может быть «размазана» в соответствии с волновой функцией.

Допуская применимость квантовой механики к макрообъектам, мы должны признать существование стороннего наблюдателя, от которого зависит состояние живого существа в ящике. Распространив применимость квантовой механики на Вселенную в целом, можно утверждать, что в ней существует Наблюдатель, от которого зависит состояние всех объектов во Вселенной.

Парадокс «друга Вигнера» – усложнённый парадокс «кота Шрёдингера». Его сформулировал один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике Юджин Вигнер. Суть парадокса в следующем. Друг Вигнера находится в лаборатории, там, где расположен ящик с котом. Сам Вигнер остаётся за дверью лаборатории. Когда друг Вигнера открывает ящик, он видит или не распавшуюся радиоактивную частицу и живого кота, или включённый баллончик с ядовитым газом и мёртвого кота.

До того момента, пока друг Вигнера не открыл ящик, кот для Вигнера находится в суперпозиции состояний. После открытия ящика кот переходит в одно из собственных состояний, но для Вигнера, который находится вне лаборатории, кот по-прежнему остаётся в суперпозиции состояний: он жив и мёртв одновременно. Следовательно, для самого Вигнера и его друга одновременно существуют два противоположных состояния кота, описываемые двумя разными волновыми функциями.

Приверженцы копенгагенской интерпретации утверждают, что парадокс с котом возникает потому, что его авторы и сторонники придерживаются реалистической трактовки квантовой механики. В реальном мире нет суперпозиции состояний, поэтому кот не может быть как в одном из собственных состояний (быть либо живым, либо мёртвым), так и в суперпозиции состояний (быть живым и мёртвым одновременно).

Следовательно, утверждение, что квантовая механика универсальна, противоречит заявлению, что на самом деле она неприменима к макромиру. Но, как известно, новая теория не должна противоречить существующим теориям и конфликтовать с ними.

Если для объяснения эксперимента с котом Шрёдингера применить информационную интерпретацию, можно сказать: пока кот находится в закрытом ящике, у нас имеется суперпозиция состояний – неопределённая информация о том, что кот и жив, и мёртв одновременно. После того как мы откроем ящик, наша информация изменится, и с вероятностью, равной единице, мы будем знать, жив кот или мёртв. До и после измерения в реальном мире никаких изменений не произошло. Для нас изменилась только информация, касающаяся состояния кота.

Необходимо отметить, что, по словам американского философа науки Кристофера Фукса, «квантовая механика всегда была об информации, просто сообщество физиков забыло об этом». В настоящее время имеются все основания полагать, что развитие квантовой информатики и квантовых технологий приведут к построению информационной интерпретации квантовой механики. Также не вызывает сомнений, что квантовая механика со временем трансформируется в информационную теорию микромира.

Основываясь на всем известном эксперименте с двумя щелями, польский физик-теоретик, ведущий специалист в области квантовой теории и декогеренции Войцех Зурек, в 2001 г. представил информационную интерпретацию квантовой механики. Её главная особенность в том, что в роли наблюдателя может выступать не только человек, но и объекты  окружающего мира.

В результате обмена информацией между квантовой системой и окружающей средой нарушается когерентность суперпозиционного состояния и происходит декогеренция. Окружение запутывает две части системы и распределяет квантовую когерентность среди огромного числа степеней свободы, что делает её практически ненаблюдаемой. По словам Зурека, «декогеренция и переход от квантовой области к классической (обычно рассматриваемый как нечто эзотерическое) является неизбежным следствием растворения системы в её окружении»^[48].

В 2004 г. в Венском университете группа учёных под руководством Антона Цайлингера провела любопытный двухщелевой опыт по рассеянию фуллерена C₇₀ (одной из аллотропных форм углерода, молекула которого состоит из 70 атомов) на дифракционной решётке. Экспериментаторы контролируемо нагревали аргоновым лазером молекулы и таким образом изменяли их внутреннюю температуру (среднюю энергию колебаний атомов углерода внутри молекул).

Любое нагретое тело испускает тепловые фотоны, спектр которых отражает среднюю энергию переходов между возможными состояниями системы. По нескольким таким фотонам с точностью до длины волны испускаемого кванта можно определить траекторию молекулы. Чем выше температура, тем меньше длина волны кванта, и тем точнее можно определить положение молекулы в пространстве. При некоторой критической температуре точность станет достаточной для определения на какой конкретно щели произошло рассеяние.

Эксперимент показал, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, аналогичная картине, полученной в двухщелевом опыте с электронами. Лазерный нагрев приводил сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции.

Было установлено, что при температурах T<1000°K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T>3000°K – как классические тела.

Никаких детекторов в районе проведения эксперимента установлено не было. Роль детектора, выделяющего компоненты суперпозиции, выполняла окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена.