Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Применим эту идею к нашей истории с Китти. Согласно копенгагенской интерпретации, наше решение пронаблюдать, остановится она у миски с кормом или у когтеточки, оказывает решающее влияние на волновую функцию, как бы незаметно мы ни старались следить за кошкой. Когда мы не смотрим, Китти находится в суперпозиции двух возможностей с равными амплитудами; после того как она доходит до дивана или стола, мы складываем составляющие, соответствующие каждому из промежуточных шагов, и обнаруживаем, что происходит интерференция. Но когда мы решаем пронаблюдать за тем, какую она выберет дорогу, это заставляет ее волновую функцию сколлапсировать. Предположим, мы увидели, что Китти останавливается у когтеточки; как только это наблюдение было выполнено, состояние кошки перестало быть суперпозицией: она на 100 % находилась у когтеточки и на 0 % у миски. То же самое произошло бы, если бы мы увидели ее у миски с кормом, но с противоположными амплитудами. В любом случае возможностей для интерференции не остается, и ее волновая функция так или иначе эволюционирует в состояние, обеспечивающее равные вероятности оказаться в конце путешествия на диване и под столом. [205]

В связи с этим у нас есть хорошая новость и плохая. Хорошая новость заключается в том, что это соответствует экспериментальным данным. Если считать, что волновые функции коллапсируют каждый раз, когда мы выполняем наблюдение, какую бы ненавязчивую стратегию наблюдения мы ни выбрали, превращаясь в собственные состояния, связывающие 100-процентную вероятность с увиденным нами результатом, то мы можем с уверенностью заявлять, что способны объяснить любые квантовые явления, известные физикам.

Плохая же новость такова: в этом нет смысла. Что можно считать «наблюдением»? Может ли сама кошка совершить наблюдение? А неживой объект? Определенно, мы не хотим верить в то, что такое явление, как сознание , каким-то образом может играть ключевую роль в фундаментальных законах физики? (Не хотим и не будем!) И действительно ли предполагаемый коллапс происходит мгновенно, – или все же постепенно, но просто очень быстро?

Необратимость

По сути, больше всего в копенгагенской интерпретации квантовой механики нас беспокоит то, что «наблюдение» здесь рассматривается как совершенно особый тип природного явления, требующий отдельного закона природы. В классической механике все происходящее вокруг нас может быть объяснено с помощью систем, эволюционирующих согласно законам Ньютона. Однако если мы учитываем коллапс волновой функции как он описан выше, в квантовой механике система эволюционирует согласно правилам двух совершенно разных типов.

1. Когда мы не смотрим, волновая функция эволюционирует гладко и предсказуемо. Роль, которую в классической механике играют ньютоновские законы, в квантовой механике отводится уравнению Шрёдингера , действующему по абсолютно аналогичному сценарию. Зная состояние системы в любой момент времени, мы можем применить уравнение Шрёдингера, для того чтобы достоверно спрогнозировать ее развитие как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое. Эволюция сохраняет информацию и полностью обратима.

2. Когда мы выполняем наблюдение, волновая функция коллапсирует. Коллапс происходит не гладко, он непредсказуем, и информация при этом не сохраняется. Значение амплитуды (в квадрате), присвоенное каждому конкретному результату, сообщает нам вероятность того, что волновая функция перейдет в состояние, полностью сконцентрированное на этом результате. Две разные волновые функции могут запросто сколлапсировать в одно и то же состояние при условии, что наблюдение осуществляется; следовательно, коллапс волновой функции необратим.

Безумие! Но это работает. В копенгагенской интерпретации мы берем понятия, кажущиеся простым приближением к некоей глубинной базисной истине, – проводя различие между «системой», представляющей собой истинно квантовый механизм, и «наблюдателем», не выходящим за рамки классической механики, – и воображаем, будто эти категории играют критическую роль в фундаментальной структуре реальности. Большинство физиков, даже те, кто ежедневно применяет квантовую механику в своих исследованиях, прекрасно понимают друг друга, разговаривая на языке копенгагенской интерпретации, и совершенно не беспокоятся о неловких вопросах, которые она поднимает. Другие, особенно те, кто серьезно задумывается об основах квантовой механики, убеждены, что нам необходимо нечто более совершенное. К сожалению, единого мнения относительно того, как могло бы выглядеть это более совершенное толкование, пока не выработано.

Для многих людей самое проблемное свойство квантовой механики – это как раз крах безупречной предсказуемости (Эйнштейн один из них; именно с этим связано его знаменитое высказывание о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной»). Если копенгагенская интерпретация верна, то в квантовом мире не может существовать такого явления, как демон Лапласа; во всяком случае, пока этот мир включает наблюдателей. Акт наблюдения привносит в эволюцию мира элемент истинной случайности. Не полностью случайный (волновая функция может обеспечивать очень высокую вероятность увидеть один какой-то результат и очень низкую – любые другие). Но непреодолимо случайный, в том смысле, что не существует такой утерянной информации, которая, попади она к нам в руки, позволила бы точно прогнозировать результаты. [206]Великолепие и слава классической механики – это отчасти следствие ее железобетонной надежности: даже если демон Лапласа в действительности не существует, мы знаем, что, в принципе, он может существовать. Квантовая механика разрушает эту надежду. Людям потребовалось немало времени для того, чтобы привыкнуть к мысли о вероятности как о еще одной неотъемлемой фундаментальной характеристике законов физики, и многим это понятие по сей день причиняет огромный душевный дискомфорт.

Один из вопросов, которые мы задавали о стреле времени, – каким образом нам примирить между собой необратимость макроскопических систем, описываемых статистической механикой, с несомненной обратимостью микроскопических законов физики. Однако сейчас, когда мы узнали о квантовой механике, создается впечатление, что микроскопические законы физики вполне могут оказаться необратимыми. Коллапс волновой функции – это процесс, привносящий собственную стрелу времени в физические законы: волновые функции коллапсируют, но расколлапсировать они не в состоянии. Если мы наблюдаем за Китти и видим, что она на диване, то сразу же после выполнения этого измерения мы понимаем, что она пребывает в собственном состоянии (100 % на диване). Но нам неизвестно, в каком состоянии она была до того, как мы провели измерение. Очевидно, что это информация была уничтожена. Мы знаем лишь, что для того, чтобы кошка оказалась на диване, волновая функция когда-то должна была иметь ненулевую амплитуду, – но мы не можем сказать, каково было значение амплитуды, а также какие амплитуды соответствовали другим возможным исходам, если таковые были.