Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Для дальнейшего нам потребуется одно уточняющее замечание об измерении и коллапсе. Всегда ли измерение портит волновую функцию, заставляя ее сколлапсировать? Не всегда-всегда; это не происходит в специальных случаях, когда результат измерения не отвергает никакую часть возможностей, содержащихся в волновой функции. Например, при измерении спина вдоль вертикального направления никак не портится волновая функция, имеющая просто вид «спин вверх» (как и волновая функция вида «спин вниз»). Несколько более тонкая ситуация имеет место с волновой функцией «спин вверх плюс спин вниз»: измерение специального вида может различать между такой волновой функцией и другой, вида «спин вверх минус спин вниз»; ни та ни другая от такого измерения не испортятся, потому что волновая функция «подтверждается» или «отвергается» в измерении целиком. В целом, однако, случаи, когда измерение не вызывает коллапса волновой функции, редки, потому что требуют сонастройки измерительной процедуры с видом волновой функции (уже известным, скажем, из предыдущего измерения).
Как бы то ни было, математическая схема квантовой механики так хорошо работала (и работает) в практических задачах, что «философские» вопросы и неясности интерпретации многим представлялись глубоко вторичными – а об использовании запутанности для квантовой криптографии и квантовых вычислений в течение долгого времени никто даже не задумывался. И совсем робко поначалу звучал вопрос об очень ранней фазе развития Вселенной: там, без сомнения, квантовая механика должна была действовать во всей полноте, но имевшиеся условия делали невозможным существование каких бы то ни было макроскопических приборов; а без них, вы говорите, квантовой механике и смысл придать нельзя?
Вполне обоснованным выглядит желание найти более прозрачное объяснение тому, как работает квантовая механика и что стоит за ее математической схемой.
11
Что за параллельные вселенные
А если все-таки главное уравнение квантовой механики – уравнение Шрёдингера – фундаментально по-настоящему и никогда не нарушается, а схлопывание (коллапс) волновой функции – что-то вроде иллюзии?! На первый взгляд, этого не может быть: ведь в каждом опыте ясно видно, что в результате измерения реализуется какая-то одна возможность из всех, содержавшихся в волновой функции; остальные в этот раз не случились и, значит, больше не актуальны, и, следовательно, состояние квантовой системы – уже не комбинация возможностей, а «данность» в виде одной-единственной. Все и правда выглядит так, как будто волновая функция схлопнулась – из многих возможностей осталась одна.
Однако проявим настойчивость: не будем отказываться от фундаментального характера уравнения Шрёдингера. Фундаментальные уравнения просто так не нарушаются, а раз так, то никакого исчезновения возможностей случиться просто не может – ведь математика запрещает коллапс, если выполнено уравнение Шрёдингера. А если мы видим, что реализовалась какая-то одна, то, значит, нам это только кажется; на самом деле возможности, присутствующие в волновой функции, никуда не исчезают, эволюция волновой функции под руководством уравнения Шрёдингера продолжается, и продолжается, и продолжается. Остается только понять, как согласовать подобное упрямство с опытными фактами.
Радикальное предложение на этот счет и сопутствующее ему неординарное объяснение мироздания восходит к Эверетту (середина 1950-х гг.). Два его лозунга можно, пожалуй, сформулировать так: «Уравнение Шрёдингера – навсегда» и «Волновая функция – наше всё». Волновая функция, согласно этим идеям, – самое главное, что есть в мире. Предлагается принять точку зрения, что она дает «полностью полное» описание квантовых систем: чего нет в волновой функции, того нет и в природе. Это вполне содержательное высказывание, особенно в оппозиции к восходящим к Эйнштейну предположениям, что где-то в глубине вещей могут прятаться «скрытые параметры». Но тут же делается и второе мощное заявление, что природа платит волновой функции взаимностью: все, что есть в волновой функции, есть и в природе. И конечно, развитие во времени этого «всего» управляется уравнением Шрёдингера.
Как следствие, все в мире имеет квантовую природу; квантовое поведение универсально «от мала до велика». Нет никаких декларативно классических приборов, беспричинно ускользающих из-под действия квантовых законов. И конечно, приборы вовлекаются в запутанность способом, который мы обсуждали в главе 10. Шрёдингеровские кошки?! – разумеется, и они. А если вы хотите возразить на это, что, мол, такие приборы и кошки не наблюдаются, то задайте себе ключевой вопрос: кем не наблюдаются?
Не только приборы и кошки, но и хозяева кошек (и вообще все наблюдатели) сложены из квантовых объектов, и нет никаких причин, освобождающих их от квантовых законов. Поэтому взаимодействие наблюдателя с уже запутанным прибором приводит к тому, что он, наблюдатель, «впутывается» в имеющиеся ветви, а заодно «ветвится» и его способность к наблюдению. Вот как это работает, когда наш друг электрон влетает в прибор Штерна – Герлаха в состоянии «спин вверх плюс спин вниз». Взаимодействие с прибором, как мы обсуждали в предыдущей главе, приводит к развитию запутанности с участием этого прибора: электрон и прибор, согласно уравнению Шрёдингера, оказываются в запутанном состоянии
«(спин вверх и ручка вверх) плюс (спин вниз и ручка вниз)».
Выше мы остановились на этом самом месте, заметив, что таких приборов мы вокруг себя не видим. Но не надо было останавливаться! Логика, основанная на бескомпромиссности уравнения Шрёдингера, говорит, что в запутанность вовлекается и наблюдатель: он становится участником состояния
Относящееся к наблюдателю здесь выделено курсивом. Приложите это к себе, только сначала решите, за кого вы будете говорить: за того, кто видит ручку прибора повернутой вверх, или за того, кто видит ее повернутой вниз?
Возможность смотреть на все ветви волновой функции сразу, как в приведенном выше примере, – вещь умозрительная. Это привилегия лишь интеллектуального созерцания математического пространства, где живут волновые функции. Реальным наблюдателям, занятым реальными наблюдениями, такая точка зрения недоступна. Наблюдателя, который видел бы ручку «распределенной по нескольким различным положениям», не существует по той простой причине, что различные версии наблюдателя воспринимают происходящее только в рамках своей ветви. Восприятие расходится по различным ветвям, и в каждой – отдельный мир.
Пока мы разглядываем запись волновой функции, содержащую различные ветви, мы похожи на зрителей у очень старого телевизора, принимающего сигнал с плохой антенны: на экране могут возникнуть две программы одновременно, создавая там порядочную неразбериху {44}. Однако герои каждой из этих программ о такой неразберихе и не подозревают, взаимодействуя только с «реалиями» из своей программы. Аналогичным образом, каждая версия наблюдателя – в частности, хозяйки шрёдингеризованной кошки – находится внутри своего мира, а эти миры, очевидно, различаются. Хозяйка кошки чувствует себя по-разному в двух ветвях волновой функции
В той ветви, где кошка умерла, день испорчен, а в той, где кошка в полном порядке, хозяйка спокойно отправляется по своим делам. Каждый вариант хозяйки воспринимает только свою ветвь событий, пребывая в полном убеждении, что реализовалась только одна возможность. Все другие для нее недостижимы и в этом смысле являются параллельными мирами, другими вселенными.
