Как понимать квантовую механику. Как пониматьквантовую механику
 Скачать 4.31 Mb.
|
|
о необходимости вы- деления наблюдателя также ставится под сомнение. В данном случае эта дискуссия по-прежнему далека от практики, но постепенно приобретает вс¨е большую важность в фундаментальной науке. Со врем¨ен Бора космо- логия, строящаяся на основе общей теории относительности (ОТО), а так- же е¨е обобщениях, постепенно вс¨е в большей степени становилась наукой. В настоящее время космология умеет неплохо описывать нашу Вселенную, и е¨е модели с удовлетворительной степенью точности согласуются с на- блюдательными данными. И здесь вопрос о том, можно ли писать волновую функцию Вселенной и нужен ли при этом наблюдатель (кто?! См. рис. 9.11), становится актуальным. Проблема усугубляется тем, что до сих пор не существует общепри- нятой последовательной квантовой теории гравитации 12 . Многие физики приходят к мысли, что создание последовательной квантовой теории гра- витации потребует не менее радикального пересмотра наших физических концепций, чем создание квантовой механики или ОТО. Некоторые эффекты ОТО, такие как поглощение частицы ч¨ерной ды- рой, являются необратимыми. Это наводит некоторых уч¨еных на мысль, что необратимость ОТО и необратимость измерения в квантовой теории связаны друг с другом. Если это действительно так, то есть надежда в рам- ках квантовой теории гравитации включить процесс измерения в теорию не в виде отдельного постулата, а как естественное следствие основных уравнений. Другой взгляд на необходимость наблюдателя в квантовой механике предлагает интерпретация Эверетта (см. раздел 9.3.7). 12 Хотя есть ряд кандидатов на роль квантовой теории гравитации, в число которых входят теории струн, супергравитация, М-теория, петлевая гравитация и др. Также суще- ствуют непоследовательные квантовые теории гравитации, которые в некоторых условиях позволяют предсказывать физические эффекты, но не являются самосогласованными тео- риями. 284 Г ЛАВА 9 9.3.6. «Абстрактное Я» фон Неймана (фф) ФОПФ так и не смогли окончить лорд Кельвин, Иоганн фон Нейман, Отто фон Герике и Герберт фон Караян, о ч¨ем постоянно жалеет Ф. Ф. Каменец. Проспект Факультета общей и прикладной физики, МФТИ. 1992 Рис. 9.12. «Абстрактное Я» фон Неймана по версии прос- пекта ФОПФ (1992). Рис. 9.13. Иоганн фон Ней- ман (1903–1957) во время ра- боты в Лос-Аламосе. Как уже упоминалось выше в разде- ле 8.2 «Моделирование измерительного прибо- ра*», граница между наблюдателем и измеряе- мой системой может проводиться по-разному. Выше мы также двигали эту границу, рассмат- ривая Кота Шр¨едингера и Друга Вигнера. И если мы выше расширяли систему, то Иоганн фон Нейман 13 сужал наблюдателя. В систему могут включаться или не включать- ся прибор, стрелка прибора, глаз наблюдателя, часть мозга наблюдателя, занимающаяся обра- боткой зрительного сигнала . . . Соответствен- но? сам акт наблюдения производят: человек и прибор, сам человек (целиком), голова на- блюдателя, мозг наблюдателя, отвечающая за высшую нервную деятельность кора головно- го мозга, и наконец, некоторое «абстрактное Я наблюдателя». «Абстрактное Я» при этом рассматривается как нечто, не имеющее мате- риального носителя 14 С этой точки зрения «абстрактное Я» представляет собой некий процесс, благодаря которому человек знает, в каком состоянии находится его сознание. Другая возможная трактовка: «абстрактное Я» тождественно некоторой объектив- ной (не зависящей от наблюдателя) редукции волновой функции. Предположение (у фон Неймана неявное), что человек знает в каком состоянии находится его сознание, представляется весьма шатким. Ско- 13 Иоганн фон Нейман, Математические принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1964. 14 Заметим, что основной вывод, декларируемый фон Нейманом, состоял не во введении «абстрактного Я», а в существенной произвольности границы между системой и наблюдате- лем. 9.3. И НТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф ) 285 рее, следуя Бору, который предлагал применить принцип дополнительнос- ти к человеческому сознанию, можно ожидать, что рефлексия (осозна- ние сознательной деятельности) препятствует сознательной деятельности. Сам Бор, вероятно, не связывал эту дополнительность с квантовыми эф- фектами, однако многие авторы полагают, что сознание может быть су- щественным образом квантовым, хотя и понимают эту квантовость очень по-разному. 9.3.7. Многомировая интерпретация Эверетта (фф) Когда мы рассматривали Кота Шр¨едингера, а потом Друга Вигнера, то мы последовательно расширяли квантовую систему, включая в не¨е вс¨е но- вых и новых наблюдателей: Датчик, Кота, Наблюдателя, Друга. Каждый из этих наблюдателей по мере распространения сигнала попадал в состояние, запутанное с тем, что на предыдущем этапе рассматривалось как кванто- вая система. Для того чтобы проследить судьбу наблюдателя, включ¨енного в расширенную систему, мы вводили следующего наблюдателя, который осуществляет измерение над предыдущим, и т. д. Рис. 9.14. Хью Эверетт III 1964 г. (1930–1982). [http://space.mit.edu/] Это наводит на мысль, что нет никакой необходимости плодить наблюдателей и до- полнять унитарную эволюцию процедурой из- мерения. В конце концов после того, как очередной Наблюдатель попал в суперпози- цию двух макроскопически различных состо- яний, каждое из этих состояний жив¨ет своей жизнью, поскольку они столь различны, что их интерференцией (возможностью привести к микроскопически одинаковому итогу) мож- но пренебречь. Мы получаем как бы два па- раллельных Мира: в одном из них Кот жив, и все наблюдатели с этим согласны, а в другом Кот м¨ертв, и все наблюдатели обнаруживают именно такой исход. Эти два Мира практиче- ски не влияют друг на друга. Мы можем придти к выводу, что квантовая механика не требует введе- ния процедуры измерения. Унитарная эволюция квантового состояния да¨ет нам суперпозицию состояний (параллельных Миров), отвечающих всем возможным комбинациям исходов всех измерений. Эти Миры ветвятся при каждом измерении, но все они сосуществуют, описанные как компоненты одного состояния (волновой функции) Вселенной. 286 Г ЛАВА 9 Проекционный постулат, с помощью которого мы обычно описываем процедуру измерения, позволяет выделить из параллельных Миров один, который нами воспринимается. Наблюдатель воспринимает лишь один Мир (компоненту квантовой суперпозиции) потому, что эти Миры макроскопически различны. Одна- ко в параллельных Мирах могут быть аналоги этого же наблюдателя: ес- ли в одном Мире Наблюдатель, обнаружил, что спин электрона направлен вверх и поставил в лабораторный журнал единичку, то в параллельном Ми- ре точно такой же Наблюдатель обнаруживает, что спин направлен вниз и ставит в журнал нолик. Таким образом, Наблюдатели ветвятся вместе с Мирами. Математически это ветвление описывается с помощью относительных состояний |ψ φ 0 (7.5.5 «Относительные состояния (ф*)»), которые задают состояние подсистемы при условии, что наблюдатель окажется в состоя- нии |φ 0 . Разным параллельным Мирам соответствуют разные состояния наблюдателя |φ 0 , и разные относительные состояния окружающей вселен- ной |ψ φ 0 . В многомировой интерпретации все относительные состояния в равной степени реальны и сосуществуют друг с другом. В многомировой интерпретации квантовой механики как в классике нет случайности, а есть только незнание. Наблюдатель, который всерь¨ез принял эту интерпретацию, уверен, что в том или ином из параллельных Миров происходит вс¨е, что может произойти (см. раздел 3.2 «Возможно вс¨е, что может произойти (ф*)»), он только не знает попад¨ет ли он в тот самый Мир, в котором случится интересующее его событие, или это событие будет наблюдать не он, а его иной вариант из параллельного Мира. Параллельные Миры расщепляются не сразу, а порой могут не толь- ко расщепляться, но и сливаться. Так, если мы пустили фотон с помощью полупрозрачного зеркала сразу по двум плечам интерферометра, то мож- но сказать, что Мир расщепился на два, в каждом из Миров фотон пош¨ел по своему пути. Однако, если в конце интерферометра фотон будет снова собран с помощью полупрозрачного зеркала в один волновой пакет, то нам прид¨ется сказать, что параллельные Миры снова слились, или что они ещ¨е не успели толком расщепиться. Ну а если после полупрозрачного зерка- ла стоят датчики, как в мысленном эксперименте с Котом Шр¨едингера, то Миры расходятся уже практически необратимо. Процесс разделения альтернатив описывается в исследованиях явления декогеренции (8.4 «Декогеренция (фф)») — зацепления состояний измери- тельного прибора и окружения, в результате которого для наблюдателя, не контролирующего окружение полностью, различные альтернативы стано- вятся как бы взаимоисключающими 15 15 Многие авторы, исследующие процессы декогеренции, не согласны с многомировой ин- 9.3. И НТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф ) 287 Чем (не)удобна многомировая интерпретация (фф) Многомировая интерпретация выглядит весьма абсурдно. Бесконечное количество параллельных Миров вводится для того, чтобы отказаться от проекционного постулата, который вс¨е равно приходится применять для того, чтобы делать предсказания результатов каких-либо экспериментов. Эта необходимость вс¨е равно обращаться к проекционному постулату сводит существенные различия между традиционной квантовой теори- ей и многомировой интерпретацией на нет. Некоторые физики вообще не верят, ч то кто бы то ни было (включ ая самого Эверетта) всерь¨ез способен принять такую глупость, как многомировая интерпретация. Тем не менее многомировая интерпретация в последние годы приобре- ла популярность среди ряда физиков, занимающихся основами квантовой механики и квантовой теорией информации. Многомировая интерпретация позволяет развить некоторую форму специфически квантовой интуиции. Обсуждавшийся ранее тезис «возмож- но вс¨е, что может произойти» усиливается и превращается в «происходит вс¨е, что может произойти». Утверждение, что квантовые процессы проис- ходят одновременно всеми возможными способами (в частности, что час- тица пролетает одновременно через оба отверстия в двухщелевом экспери- менте), становится банальностью. Удобную метафору (метафору ли?) да¨ет многомировая интерпретация и для квантового компьютера: квантовый компьютер выполняет параллель- ные вычисления одновременно во многих параллельных Мирах, благодаря чему достигается выигрыш в производительности, однако в конце возника- ет проблема собирания результатов вычислений в одном Мире. Многомировой интерпретации придерживается один из создателей теории квантовых вычислений Дэвид Дойч. Дойч пропагандирует много- мировую интерпретацию в книге «Структура реальности» 16 , где утвержда- ет, что многомировая интерпретация является естественной для физика, ис- следующего квантовые вычисления. Многомировая интерпретация да¨ет удобную интуицию и для понятия вероятности: вероятность события — доля Миров, в которых это событие происходит. Эвереттом был также получен «вывод» квантовомеханической форму- лы для вероятностей, как единственно возможной при некоторых условиях (см. 8.3.1 «Эвереттовский “вывод” теории измерений (фф*)»). терпретацией и считают, что декогеренция сама по себе является самостоятельной интерпре- тацией квантовой механики. Подробнее см. раздел 8.4 «Декогеренция (фф)». 16 ДойчД. Структура реальности. — М.–Ижевск: РХД, 2001. 288 Г ЛАВА 9 Многомировая интерпретация и антропный принцип (фф) Ещ¨е одним преимуществом, а может быть недостатком многомировой интерпретации квантовой теории является необычайная л¨егкость примене- ния антропного принципа. Антропный принцип — это объяснение наблюдаемых свойств какой- либо системы тем фактом, что для наблюдения нужен наблюдатель, кото- рый должен иметь возможность возникнуть, жить и наблюдать эту систему. Например, тот факт, что наше Солнце представляет собой сравнитель- но небольшую, зато очень долгоживущую звезду (с общим временем жиз- ни около 10 млрд лет), легко объясняется тем, что массивные зв¨езды живут очень мало (миллионы лет), а потому жизнь, а тем более разумная жизнь просто не успевает возникнуть на планетах, обращающихся вокруг этих зв¨езд. В связи с этим мы (т. е. живые и разумные существа) обречены были возникнуть рядом со сравнительно л¨егкой звездой. Аналогичным образом объясняется то, что нам повезло жить в системе одиночной звезды, при том, что большинство зв¨езд входит в двойные и более сложные кратные системы: в кратной системе орбиты планет менее устойчивы и меньше ве- роятность возникновения на них разумной жизни. Как видно на этих примерах, для применения антропного принципа нам нужен достаточно большой ансамбль систем, в которых может или не может возникать/обитать разумная жизнь. Если ансамбль достаточно велик, то сколь угодно малая вероятность успеха (возникновения разумной жиз- ни) в каждом конкретном случае даст нам для всего ансамбля практически достоверное возникновение разумной жизни. В многомировой интерпретации у нас есть бесконечный ансамбль па- раллельных Миров. Таким образом, применение антропного принципа по поводу и без повода становится л¨егким и естественным. Например, соглас- но мнению многих физиков фундаментальные постоянные «подогнаны» очень точно с тем, чтобы в нашей Вселенной могла возникнуть жизнь: при чуть-чуть измен¨енных константах не могут возникнуть зв¨езды, или плане- ты, или тяж¨елые атомные ядра, или что-либо ещ¨е, совершенно необходимое для разумной жизни, в том единственном виде, в котором мы е¨е зн аем. Если предположить, что фундаментальные постоянные являются на самом деле динамическими переменными, то легко вообразить себе модель, в ко- торой в разных параллельных Мирах будут реализованы все возможные их комбинации. С этой точки зрения попытки объяснения точной подгон- ки фундаментальных констант оказались бы бессмысленными. Однако воз- можно между фундаментальными константами существуют какие-то пока нам неизвестные соотношения. В поисках этих соотношений антропный 9.3. И НТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф ) 289 принцип может сбить нас с толку, выдав слишком л¨егкое (и бесплодное) объяснение. Антропный принцип в комбинации с многомировой интерпретацией способен, например, объяснить происхождение жизни, сославшись на слу- чайную сборку первого одноклеточного организма при броуновском движе- нии атомов. Конечно, количество планет в наблюдаемой части Вселенной (радиусом порядка 10 млрд световых лет) для подобной сборки за время жизни Вселенной практически наверняка недостаточно, но параллельные Миры предоставят нам ансамбль землеподобных планет любой нужной нам мощности. Это же рассуждение предсказывает, что мы (земная жизнь) практически наверняка одиноки во Вселенной (точнее в нашем Мире), по- скольку одна планета с разумной жизнью (Земля) в нашем Мире уже точно есть, то все ничтожно-малые оценки вероятности возникновения жизни на- до относить уже к другой подобной планете. Однако объяснение возникновения жизни через комбинацию броунов- ского движения, многомировой интерпретации и антропного принципа бес- плодно в том смысле, что оно ничего не говорит о той химической эволю- ции, которая должна была предшествовать возникновению органической жизни и не могла не увеличить вероятность е¨е возникновения (уже не че- рез броуновское движение, а через самоорганизацию) на много порядков. Как мы видим на привед¨енных примерах, антропный принцип в ком- бинации с бесконечным множеством Миров многомировой интерпретации способен объяснить практически что угодно, примерно как неиспользован- ная Лапласом «гипотеза Бога», однако его предсказательная сила столь же низка 17 9.3.8. Сознание и квантовая теория (фф) Квантовая теория измерений не формулируется без ссылки на наблю- дателя, прич¨ем граница между наблюдателем и измеряемой системой мо- жет быть проведена различными способами. И если кто-то делает вывод, что измерение в конечном итоге производится сознанием наблюдателя, или его абстрактным Я, то возникают естественные вопросы: • Что же такое сознание? • Может ли сознание изучаться в рамках физики? • Может ли сознание быть сведено к физическим явлениям, описывае- мым в рамках стандартной квантовой теории? 17 Рассказывают, что после изложения Лапласом Наполеону космологической теории проис- хождения Солнечной системы, Наполеон спросил о месте Бога в этой теории и получил ответ: «Государь, я не нуждаюсь в этой гипотезе». 290 Г ЛАВА 9 • Является ли сознание явлением принципиально отличным от «обыч- ных» квантовых (унитарных) физических явлений? • В каких ещ¨е явлениях, помимо человеческого сознания, проявляются те же неунитарные эффекты? • Как согласуется существование многих наблюдателей с тем, что они наблюдают один и тот же физический мир? • Почему разные наблюдатели наблюдают один и тот же мир? • Следует ли считать сознание каждого человека отдельным объектом? • Следует ли считать, что в мире существует только одно Сознание? • Если измерение производится именно сознанием, то может ли оно вли- ять на исход измерения? (Возможно ли «активное сознание»?) • Если сознание одного наблюдателя может влиять на исход измерения, то как это будет восприниматься другими наблюдателями? • Можно ли связать квантовые чудеса с чудесами человеческого созна- ния? • Могут ли методы математического описания и физической интерпре- тации квантовых явлений (когда влиянием наблюдателя нельзя прене- бречь) быть применены при изучении сознания (которое также реаги- рует на наблюдение)? Многие вопросы сводятся к обсуждению и интерпретации парадок- са Друга Вигнера. Также для некоторых вопросов можно предложить физические эксперименты, призванные на эти вопросы ответить. Такие во- просы можно обсуждать содержательно. Рис. 9.15. Роджер Пенроуз. W Роджер Пенроуз в своих книгах «Новый ум короля», «Тени разума» и др. приводит интересные аргументы в пользу своей гипо- тезы о связи сознания, неунитарных обобще- ний квантовой теории и квантовой гравитации. Пенроуз из неопределимости понятия доказа- тельства и теоремы Г¨еделя о неполноте ариф- метики делает вывод, что сознание описыва- ется невычислимым процессом. А поскольку уравнения квантовой (как и классической) фи- зики в принципе допускают (на конечном вре- менном интервале) численное решение с лю- бой степенью точности, то квантовая теория не может описывать сознание. Эти аргументы, безусловно, спорны, но их 9.3. И НТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф ) 291 можно содержательно обсуждать. (Также очень интересен обзор современ- ной физики, приводимый Пенроузом в указанных книгах.) Попытки применения в психологии методов и философии, разработан- ных в квантовой физике, восходят к Н. Бору (принцип дополнительности в психологии) и В. Паули (совместная работа с К. Юнгом, 1953 г.). Это нап- равление развивается до сих пор (см., например, статью А. Ю. Хренникова «Квантовоподобный мозг на сознательном и бессознательном временных масштабах» 18 , где также приведена обширная библиография). Однако большинство из привед¨енного списка вопросов вообще не от- носятся к физике, соответственно большинство физиков избегает их об- суждения. Некоторые вопросы явно отдают какой-то мистикой, их обсуж- дение способно стимулировать разного рода «патологов» к проведению параллелей между современной физикой и разного рода мистикой/эзоте- рикой/теософией/астрологией. К сожалению, до авторов ненаучной фан- тастики (ННФ) и паранаучных фантазий (ПНФ) уже дошли обрывочные и искаж¨енные сведения о чудесах и парадоксах квантовой механики. Кни- ги в жанре ННФ, в которых по параллельным эвереттовским мирам бродят толпы оживших мертвецов, уже написаны и продаются. Также написаны ПНФ-книги, в которых авторы, маскирующиеся под уч¨еных-физиков, увя- зывают квантовую нелокальность с мистикой (восточной и западной), тео- софией, реинкарнациями, телепатией, ясновидением и «торсионными поля- ми» 19 Пример ПНФ-книги — С. И. Доронин «Квантовая магия» 20 . Эта книга особенно опасна для неспециалиста, потому что автор — кандидат физ.- мат. наук и старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, прич¨ем входит в исследовательскую группу, которая в самом деле занимается квантовыми компьютерами. Книга содержит одновремен- но ссылки на вполне солидные научные работы и откровенную мистику и патологию. Из книги видно, что автор очень много читал по физике (ду- маю, много больше меня), но практически ничего не понял ни в квантовой теории, ни в ОТО, о которой он тоже пишет. Если пытаться разбирать книгу Доронина по существу, то, вероятно, главной физической идеей (обсуждения разнообразной мистики слишком расплывчаты, чтобы их можно было по существу обсуждать с точки зрения 18 Khrennikov A. Yu. The Quantum-Like Brain on Cognitive and Subcognitive Time Scales // Journal of Consciousness Studies. — 2008. — Vol. 15, No. 7. — P. 39–77. 19 «Торсионные поля» — неоднократно разоблач¨енная паранаучная афера, получившая ши- рокое освещение в прессе. «Торсионные поля» не следует путать с полями кручения, которые вводятся в ряде вполне респектабельных обобщений общей теории относительности. 20 Доронин С. И. Квантовая магия. — ИГ «Весь», 2007. |