Чтение онлайн

Хороший преподаватель попросил бы вас закрыть глаза и мысленно повторить то, что мы сегодня прошли. У меня нет необходимости быть хорошим преподавателем. Я хочу, чтобы вы увидели в изложенном и неизреченном Тайну, и помолчу.

Кто хочет, насладитесь этой Тайной вместе со мной.

Классическая физика описывает реальность как объективную, находящуюся «вне нас», существующую независимо от нас и эволюционирующую согласно тем или иным детерминистским законам. Простые объекты, сцепляясь друг с другом, образуют более сложные. Наши тело и мозг тоже являются частью этого мира и, следовательно, также подчинены детерминистским законам вопреки нашим представлениям о свободе воли.

Некоторые считают, что такая картина мира соответствует здравому смыслу. Что же меняет в ней квантовая физика? Мы знаем о возможности состояния суперпозиции, когда объект характеризуется совокупностью состояний, каждое из которых с классической точки зрения исключает другое. Помимо этого, эксперименты свидетельствуют о возможности нелокальной связи между объектами, которая отражает взаимосвязи частей внутри целого и происходит вне пространства, времени и привычных физических взаимодействий.

Однако, где граница между классическим и квантовым мирами? Насколько выводы из наблюдений за элементарными частицами приложимы к описанию макроскопических явлений, то есть явлений, в которых участвует огромное количество частиц?

Прежде всего, необходимо развеять несколько мифов о роли квантовых эффектов. Один из них заключается в том, что квантово-механическое рассмотрение применимо только к микрочастицам, а для больших масштабов вполне достаточно классического описания, быть может, с незначительными поправками.

Одна из причин подобного непонимания связана с тем, что у многих квантовая механика ассоциируется с так называемым дуализмом [55] «волна — частица», представление о котором возникло на заре развития КМ. Волновые свойства действительно не имеют существенного значения для макроскопических тел, а при выполнении некоторых условий уравнения КМ переходят в уравнения классической физики.

Отсюда многие делают ошибочный вывод, что нет необходимости в КМ при описании макромира. Однако каждое тело связано с окружением нелокальными связями, для возникновения которых достаточно любого когда-либо произошедшего взаимодействия. Классическое описание полностью игнорирует эту взаимосвязь объектов как частей целого. Очень часто эти связи оказываются столь существенными, что радикально меняют картину происходящего.

Например, спектр излучения Солнца (достаточно большого по любым меркам объекта), как и лампочки, или атома водорода, описывается исключительно квантовыми формулами. Более того, сама возможность существования атомов и твердых тел как стабильных структур возникает только благодаря квантовым эффектам. И есть еще явления сверхтекучести и сверхпроводимости, которые наблюдаются при низких температурах без всяких ограничений на размер системы, всё это — чисто квантовые явления.

Можно сказать иначе. Основной квантовый дуализм — это не дуализм «волна — частица», как считалось вплоть до 80-х годов прошлого века, а дуализм «локальность — нелокальность», который существует для всех тел, всех частиц вне зависимости от их размера. То есть КМ предоставляет взаимодополняющее описание любого объекта и как локализованного в пространстве-времени, и как не локализованного нигде.

Теория запутанных состояний и теория декогеренции формулируется не в категориях частиц, а в категориях систем и подсистем, содержащих любое число частиц. Нелокальные связи возникают между любыми взаимодействующими объектами, а не только между микрочастицами. Опыты по квантовым корреляциям в системах, содержащих макроскопическое число частиц, о которых мы упоминали во второй главе, однозначно подтверждают предсказания КМ.

И всё же следует заметить, что перенос выводов КМ на все окружающие нас системы в настоящее время является гипотезой. Ей мы и будем следовать в дальнейшем, сопоставляя предсказания и следствия КМ с известным человечеству мистическим опытом.

Перейдём к рассмотрению того, как связаны между собой классический и квантовый миры. Начнём с теперь уже очевидного для нас утверждения: наличие квантовой суперпозиции означает, что при существовании каких-либо векторов состояний |A>, |B>, |C>… возможна любая их комбинация вида a|A> + b|B> + g|C> +… с произвольными значениями коэффициентов a, b, g. То есть каждому набору классических состояний соответствует неизмеримо большее количество квантовых, а в классическую «действительность» превращается лишь одна из них. Это делает квантовый мир «огромным» в сравнении с классическим, а связь между этими мирами — не всегда однозначной.

Например, мы можем интерпретировать исходное состояние как нелокальное квантовое. А можем — и так поступают в ансамблевой интерпретации квантовой механики — рассматривать компоненты суперпозиции просто как совокупность (ансамбль) всех возможных классических состояний системы и считать, что в действительность превращается одна из возможностей этого ансамбля.

Результаты конкретных вычислений при этом будут совпадать.

В силу неоднозначности связи между классическим и квантовым мирами и возникает возможность различных интерпретаций КМ. Каждая из них по-своему отвечает на наиболее важные для понимания мироустройства вопросы:

• Является ли вектор состояния реальным объектом, или математической абстракцией, введение которой необходимо лишь для того, чтобы рассчитывать наблюдаемые величины?

• Является ли КМ детерминистической теорией, то есть позволяет ли она предсказать состояние системы на основании знания ее состояния в прошлые моменты времени? Возможны ли случайные процессы? Имеются ли скрытые переменные?

• Существует одна Вселенная или их множество?

• В чём заключается суть процесса измерения, и как происходит переход от квантового мира к классическому?

Рассматривать все известные интерпретации (а их около двух десятков) нам нет никакой необходимости. Тем более что большинство из них созданы до решающих экспериментов по проверке неравенств Белла и являются попыткой примирить КМ с «классическим» здравым смыслом. Мы рассмотрим интерпретации, наиболее важные для понимания общей ситуации: копенгагенскую, многомировую и экзистенциальную.

Наиболее известной на сегодняшний день является копенгагенская интерпретация [56] (КИ), родившаяся практически одновременно с самой квантовой механикой. В ней, фактически, сосуществуют два мира — классический и квантовый, каждый из которых живет по своим законам. Если за частицей не ведется наблюдение, она существует в состоянии суперпозиции, то есть в нескольких состояниях и/или точках пространства одновременно. Акт измерения «сводит» (редуцирует) волновую функцию частицы к конкретной точке или состоянию, где частица и обнаруживается, и этот переход необратим.

Для проявления квантового мира необходим классический прибор или наблюдатель, который обеспечивает «схлопывание» (редукцию, коллапс) волновой функции. Если редукции волновой функции не происходит, квантовое состояние остается ненаблюдаемым, и волновая функция является лишь формальным описанием нашего знания о системе, средством вычисления вероятности тех или иных событий.

Говоря словами известного физика Джона Уилера, в копенгагенской интерпретации «ни один квантовый феномен не является феноменом до тех пор, пока не станет наблюдаемым (зарегистрированным) феноменом». Иными словами, в КИ описывается не квантовый мир, а только то, что мы можем сказать о нём, используя измерительный прибор. При этом мы не можем описать измерительный прибор как квантовый объект.