Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Гипотеза спонтанного коллапса имеет интересное развитие – наблюдение Белла о возможных «локальных существователях», т. е. обособленных объектах, населяющих наше физическое пространство. Мы помним про «высокомерие» квантовой механики в отношении пространства-времени: волновая функция имеет дело с конфигурациями всех элементарных квантовых объектов в системе и не предоставляет средств, чтобы изучать происходящее в какой-то одной точке. Но в гипотезе спонтанного коллапса уже используются отдельные точки в пространстве, «включающиеся» в некоторые моменты времени; это центры коллапса. Их можно наделить важной функцией – быть представителями локальных существователей.
Каждый электрон, в соответствии с этой идеей, появляется в нашем пространстве крайне редко – только в те моменты, когда он оказывается причиной коллапса волновой функции. Появляется, конечно, в центре коллапса, и только на чрезвычайно короткое время, которое занимает само событие коллапса. Между такими событиями («вспышками») в пространстве ничего нет. Волновая функция, конечно, никуда не девается, она продолжает существовать в своем математическом пространстве и только «суживается», когда здесь у нас «вспыхивает» какой-то электрон {89}.
В одном кубическом миллиметре обычного вещества – скажем, внутри человеческого тела – почти пусто и только вспыхивают описанным образом порядка 10 000 электронов в секунду. Этого вполне достаточно, чтобы ясно видеть контуры тела. Неординарность такого взгляда на реальность, конечно, впечатляет, но в нем нет очевидных логических несоответствий (и я не возьмусь утверждать, что в нем больше «странного», чем в существовании множества параллельных и постоянно разделяющихся вселенных). В рамках этих представлений волновая функция становится инструментом для предсказания (вероятностей) будущих вспышек исходя из тех, которые уже случились, и тут у всей схемы спонтанного коллапса обнаруживается ценный бонус: ее удается достаточно естественным образом согласовать со специальной теорией относительности. Это, без сомнения, достижение и определенное свидетельство жизнеспособности. Мы уже видели (глава 14), что для интерпретаций квантовой механики такое согласование совершенно не гарантировано, поэтому «вспышечный» вариант спонтанного коллапса получает дополнительные очки – что, впрочем, само по себе вовсе не означает, что природа действительно устроена таким образом. И вообще, идея спонтанного коллапса – это, строго говоря, уже не интерпретация квантовой механики, а предложение по ее развитию в несколько иную теорию, которую можно и нужно проверять экспериментально.
Напрашивается проверка с использованием характерного квантового эффекта – прохождения одного электрона через барьер с двумя отверстиями. После прохождения электрон попадает в экран, где оставляет метку в районе своего приземления. До попадания в экран волновая функция электрона выражает комбинацию двух возможностей: пройти через отверстие № 1 или через отверстие № 2. Отсюда следует наблюдаемый эффект: в результате многократного повторения одного и того же опыта по отправке электронов по одному на экране возникает так называемая интерференционная картина – чередующиеся области, в одни из которых электрон приземляется часто, а в другие редко. Эти «часто» и «редко», выражаемые вероятностями, не определяются суммой вероятностей попадания в различные области экрана при прохождении по отдельности через первое и второе отверстия – именно по той причине, что волновая функция содержит две возможности и описываемый ею электрон не имеет свойства проходить через какое-то одно отверстие. Коллапс, случающийся с электроном по дороге достаточно часто и «отъедающий» одну из ветвей волновой функции, изменил бы наблюдаемую картину полос, но и речи нет о том, чтобы зафиксировать какие-то изменения для обсуждаемых ста миллионов лет ожидания. Вместо единичных электронов надо отправлять что-то, содержащее их сразу в большом количестве.
Это делали, например, для фуллеренов (молекул-многогранников, составленных из десятков атомов углерода), в которых несколько сотен электронов, но это все равно чрезвычайно мало для наших целей. До экспериментов с объектами, которые достаточно часто испытывали бы спонтанный коллапс в ходе путешествия через два отверстия, пока далеко: дело упирается в сложность изоляции их от внешнего мира на время эксперимента – в неотвратимую декогеренцию, если забежать вперед в главу 22. Если серьезно относиться к иногда высказываемым надеждам, что масса объектов в опытах с двумя отверстиями будет ежегодно увеличиваться в 10 раз, то в исторически короткий срок мы доберемся даже до интерференции тихоходок: они послужили бы науке и для проверки гипотезы спонтанного коллапса, и вообще в качестве реальной замены шрёдингеровским кошкам.
Можно попытаться обнаружить в экспериментах и более косвенные проявления спонтанного коллапса, в первую очередь наличие или отсутствие так называемого перегрева. Дело в том, что на языке математики спонтанный коллапс описывается добавлением в уравнение Шрёдингера некоторого шума (он имеет математически строгое определение, но это шум). «Пинки» со стороны этого шума, собственно, и составляют причину происходящего с волновой функцией при спонтанном коллапсе. Да, случаются они нечасто, но все равно дают добавки к полной энергии системы (или даже энергии наблюдаемой Вселенной); достаточно большие такие добавки и составили бы перегрев – где приставка «пере-» указывает на эффект, подлежащий наблюдению.
Экспериментальные усилия по поиску косвенных следов этого шума пока не дают результатов; это значит, что возможный уровень такого перегрева лежит в пределах погрешности, которая имеется в любом эксперименте. Отсюда получаются ограничения на величины, характеризующие спонтанный коллапс – среднее время его ожидания и ширину «пятна». Проводимые сейчас эксперименты подбираются к критической проверке гипотезы спонтанного коллапса – критической в том смысле, что нулевой результат поставил бы крест на этой смелой модификации квантовой механики {90}.
21
Что портит память друзьям
Вигнер попросил друга понаблюдать на время отпуска за кошкой Шрёдингера, а сам не уехал, а, наоборот, взялся наблюдать за другом. Возник конфликт.
Выходец из Венгрии (как и фон Нейман и еще несколько ярких фигур квантовой эпохи) Вигнер известен далеко не только «историей про друга» – как и Шрёдингер, к слову, вовсе не «историей про кошку». За пределами собственно квантовой механики и математики часто упоминается статья Вигнера «Непостижимая эффективность математики в естественных науках» {91}. А в интересующей нас истории Вигнер задал вопрос о том, что будет, если рядом со шрёдингеровской кошкой, в изоляции от остального мира, окажется человеческое существо. Приключения кошки, как мы помним, начинаются с состояния электрона, приводящего в действие весь сюжет; впрочем, после вовлечения в процесс человека кошка как таковая (вместе с ядом и излишним драматизмом) оказалась не нужна: заключения об исходе измерений над квантовой системой (тем самым электроном) лучше делать не по состоянию животного, а на основе словесного отчета, выражающего содержимое памяти.
Мысленный эксперимент с другом Вигнера был придуман в самом начале 1960-х гг., но в последнее время пережил вторую молодость как инструмент для анализа свойств квантовой реальности. В современных реалиях, кстати, обычно поддерживается гендерный баланс участников, что по-английски совсем просто, достаточно сказать, что Wigner's friend – это она. Это, кроме всего прочего, еще и удобно, когда надо следить за тем, кто из них что наблюдает или делает: если «он», то Вигнер, а если «она» – то friend. По-русски, однако, «подруга Вигнера» выглядит не совсем нейтральной конструкцией, поэтому пусть Вигнер просит помочь свою коллегу. (Ее могли бы звать, например, Ирэн, но это, пожалуй, излишняя детализация.) «Коллега Вигнера» едва ли станет мемом того же уровня, что и «друг Вигнера», но с возложенным на нее заданием справится так же хорошо.
