Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Одним из четырех свойств – наших пожеланий к реальности – надо пожертвовать, оно не выполняется в природе. Каким? Возможно, «общемировых» фактов не бывает; каким-то образом получается так, что факты-для-коллеги и факты-для-Вигнера – не всегда одно и то же. Таков подарок от Вигнера кьюбистам (которые всегда примерно это и говорили). Конечно, может нарушаться и что-то еще из списка {95}, но все же под подозрением в первую очередь оказывается наличие единой «классической» (т. е. такой, как мы привыкли) реальности, в которую можно складывать результаты, получаемые различными агентами.
В том же направлении указывает и еще одно рассуждение, в котором нелегко приходится уже не Вигнеру, а его коллеге (хотя отправки сообщений от нее больше не требуется): различные моменты в ее жизни не сшиваются в одну классическую реальность; если угодно, у нее возникают «проблемы с памятью». Вот как это работает. Для начала она делает измерение – определяет, как всегда, спин того самого электрона. Затем она недолго отдыхает, а Вигнер тем временем выполняет уже обсуждавшееся «белловское» измерение, позволяющее ему проверить волновую функцию, которая описывает все содержимое лаборатории, включая, конечно, и коллегу. Сама она об этом и не подозревает, да и Вигнер за нее не беспокоится, потому что волновая функция лаборатории со всем ее содержимым от этого измерения не меняется. Но затем (таков был заранее согласованный план!) снова настает очередь коллеги произвести то же измерение с тем же электроном, что и в первый раз. Какой бы мы ожидали результат в сравнении с предыдущим?
Уточним вопрос: если коллега знает, что в первом измерении она наблюдала результат a, то какова вероятность, что во втором измерении она будет наблюдать результат b? (Как всегда с вероятностями, процедуру придется повторять много раз.) Вопрос типа «Какова вероятность, что я здоров, если известно, что тест отрицательный?» – осмысленный, ответ на него требует конкретной информации. Однако между двумя измерениями в лаборатории коллеги ничего не изменилось, поэтому вопрос близок к вопросам «Какова вероятность, что я здоров, если известно, что я здоров?» и «Какова вероятность, что я болен, если известно, что я здоров?», ответы на которые – 100 % и 0 %. Для коллеги, другими словами, искомая вероятность должна быть равна 100 %, если второй результат есть просто тот же самый a, и равна нулю, если это другой результат. Однако квантовая механика говорит, что вероятность равна 50 %: в половине случаев коллега заключит, что два результата совпадают, но в половине случаев – что они различны.
Здесь вовлечены два переживаемых коллегой момента времени, и ее заключение опирается на память о первом результате. В системе ничего не изменилось, поэтому в 50 % случаев память коллеги оказывается недостоверной – из-за наблюдения со стороны Вигнера, хотя оно и не меняет квантового состояния. Возникающий здесь разрыв реальности можно выразить другими словами, сказав, что с информацией из прошлого не получается обращаться так, как будто она все еще существует сейчас {96}.
Мысленные эксперименты с друзьями и коллегами Вигнера плодотворно обсуждались в нескольких близких вариантах, и логическое противоречие удалось зафиксировать даже в небольшом перечне требований, которые обычно предъявляются к наблюдателю («агенту», в другой терминологии). В самом деле, каким условиям надо удовлетворять, чтобы «соответствовать должностным обязанностям наблюдателя»? Анализ показывает, что дело сводится к четырем требованиям. Во-первых, наблюдатель должен действовать локально и в пространстве, и во времени: как бы он ни подкручивал настройки своего прибора, они не оказывают мгновенного влияния на расстоянии и не влияют на прошлое. Во-вторых – и здесь начинается самое интересное, – впечатления наблюдателя должны иметь соответствия в физическом мире; например, если вы наблюдаете красный цвет, то ваши нейроны срабатывают одним способом, а если зеленый – то другим {97}. В-третьих, наблюдатель должен считать мысли других квалифицированных агентов столь же реальными, сколь свои собственные. Четвертым, и последним, идет эго-абсолютизм: утверждение, что наличие моих мыслей безусловно, не зависит ни от каких условий и не требует указания каких-либо контекстов и тому подобного.
Выясняется, однако, что в применении к наблюдателям в ситуации «друзей Вигнера» одни только эти требования (в сочетании, разумеется, с квантовой механикой) уже приводят к логическому противоречию. Они, следовательно, не могут выполняться одновременно. Неудивительно, что обсуждаемый мысленный эксперимент так хочется приблизить к реальности.
Изолировать сколько-нибудь большую систему от внешнего мира невозможно, поэтому обсуждаются перспективы поручить роль коллеги или друга искусственному интеллекту высокого уровня, реализованному в квантовом компьютере. Над ним тогда можно было бы выполнять измерения, а он в свою очередь измерял бы спин одного кубита. Что бы он рассказал о пережитом? На данный момент практические достижения скромные: нарушение неравенств Белла было действительно установлено в «запутанном» эксперименте с двумя вигнерами и двумя друзьями, но роль последних исполняли всего лишь фотоны (точнее, выбираемые ими пути) – а фотон не все готовы считать настоящим другом. В общем, эксперимент показал, что в схеме, включающей несколько участников, а потому более сложной по сравнению с теми, что использовались ранее (например, в связи с неравенствами Белла), все запутывание происходит так, как и велит уравнение Шрёдингера; до опытов с памятью коллеги пока далеко.
В свое время проверка неравенств Белла представлялась делом далекого будущего. «Повышение качества друзей» за счет развития технологий, возможно, позволит когда-нибудь точнее указать, в чем именно квантовая реальность расходится с классической. По крайней мере одна точка несогласия определенно есть, но их может быть и несколько.
Другой вопрос – каким же образом мы все-таки оказались вдали от обсуждаемых странностей мироустройства в окружающей нас классической реальности? Она-то откуда берется, если внутри все квантовое?
22
Что от Дарвина
Мир выглядел бы совершенно безумным, если бы в нашем восприятии отражалась даже малая часть экзотически запутанных состояний, которые в огромном количестве возникают в ходе эволюции волновой функции под управлением уравнения Шрёдингера. Общим местом была бы неопределенность положения и ориентации в пространстве; объекты находились бы в самых немыслимых комбинациях запутанных свойств. Кроме того, мир потерял бы всякую стабильность, потому что квантовые состояния хрупки и уязвимы: один-единственный наблюдатель, взявшийся за измерение без предварительного знания, изменит состояние системы на какое-то другое.
Вместо этого мы живем во вселенной, состоящей из множества классических систем: это бактерии, камни, деревья, тигры, планеты… Все они ведут себя так, чтобы нельзя было даже заподозрить их квантовое происхождение: они не вовлекаются в запутанность и не образуют новые состояния путем комбинирования других состояний. Они полноценно существуют «сами по себе», независимо от того, что о них известно, а наблюдения с целью выяснить их состояние никак это состояние не портят.
Такое положение дел и составляет то, что мы называем объективной классической реальностью. Она, однако, должна каким-то образом «вырастать» из квантовой реальности, сидящей в глубине вещей. И это притом, что в ходе развития волновой функции во времени возникает несравненно (в убедительном математическом смысле) больше экзотических состояний, чем тех, которые пригодны для создания классической картины мира.
