Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Коллапс волновой функции и стрела времени

Очевидно, что в многомировой интерпретации декогеренция играет критически важную роль в процессе предполагаемого коллапса волновых функций. Суть не в том, что в «разумности» или в «наблюдателях» есть что-то особенное (за исключением того, что это сложные макроскопические объекты). А в том, что любой сложный макроскопический объект неизбежно взаимодействует (и следовательно, запутывается) с внешним миром, и пытаться отследить точный вид этого запутывания – дело абсолютно безнадежное. Крохотную микроскопическую систему, например отдельный электрон, можно изолировать и поместить в истинно квантовую суперпозицию, не запутанную с состояниями других частиц. Однако для такой сложной системы, как человек (или скрытая камера наблюдения, если уж на то пошло), это попросту невозможно.

В этом случае наша простая картина, где состояние нашего сознания запутывается с состоянием Китти, становится чрезмерным упрощением. На самом деле главную роль в этой истории играет наша запутанность с внешним миром. Представим, что вначале Китти находится в истинно квантовой суперпозиции, не запутанная ни с чем в окружающем мире; но мы, будучи чрезвычайно сложными созданиями, тесно запутаны с окружающим миром массой разнообразных способов, которые при всем желании не смогли бы перечислить. Волновая функция Вселенной связывает разные амплитуды с альтернативными конфигурациями сложной системы, состоящей из Китти, нас и внешнего мира. После того как мы проверяем местоположение Китти, волновая функция эволюционирует в такую форму:

( диван, мы видим ее на диване, мир 1) + + ( стол, мы видим ее под столом, мир 2),

где третья составляющая описывает (неизвестную) конфигурацию внешнего мира, разную для каждого из этих двух случаев.

Поскольку мы ничего не знаем об этом состоянии, то просто игнорируем запутанность с окружающим миром, но сохраняем знание о местоположении Китти и о нашем сознании. Очевидно, что две эти вещи тесно связаны: если кошка на диване, то мы уверены, что видели ее на диване, и так далее. Однако отбрасывание сведений о конфигурации внешнего мира означает, что мы более не находимся в реальной квантовой суперпозиции. Вместо этого у нас на руках оказываются две во всех отношениях классические альтернативы: Китти находится на диване и мы видели ее на диване или же она находится под столом и мы видели ее под столом.

Именно это мы имеем в виду, когда говорим о разветвлении волновой функции в разные «миры». Какая-то небольшая система в истинно квантовой суперпозиции наблюдается макроскопическим измерительным инструментом, но данный инструмент запутан с внешним миром; если мы игнорируем состояние внешнего мира, то у нас на руках остаются две классические альтернативы. С точки зрения любой из этих классических альтернатив волновая функция «сколлапсировала», но с гипотетической более масштабной точки зрения, где мы сохранили всю информацию в волновой функции Вселенной, никаких внезапных изменений состояния не произошло – всего лишь гладкая эволюция в соответствии с уравнением Шрёдингера.

Все эти фокусы с отбрасыванием информации могут вызывать у вас смутную тревогу, но согласитесь, что это звучит знакомо. То, чем мы здесь занимались, – это в действительности простое огрубление, то же самое, которое мы применяли при обсуждении статистической (классической) механики для определения макросостояний, соответствующих различным микросостояниям. Информация о нашей запутанности с беспорядочной внешней средой аналогична информации о положении и импульсе каждой молекулы в контейнере с газом: нам она не нужна, и на практике отслеживать ее невозможно, поэтому мы создаем феноменологическое описание, основываясь исключительно на макроскопических переменных.

В этом смысле необратимость, проявляющуюся при коллапсе волновой функции, можно считать прямым аналогом необратимости традиционной термодинамики. Базовые законы все так же обратимы, но в беспорядочном реальном мире мы постоянно отбрасываем огромное количество информации, и в результате нам кажется, что мы наблюдаем необратимое поведение даже в макроскопических масштабах. Когда мы проверяем местоположение кошки и наше собственное состояние запутывается с ее состоянием, для того чтобы воспроизвести процесс в обратную сторону, нам потребовалось бы знать точное состояние внешнего мира, с которым мы также тесно связаны, однако мы эту информацию отбросили. Это полная аналогия того, что происходит при размешивании ложки молока в чашке кофе; в принципе, мы могли бы обратить процесс, если бы следили за положениями и импульсами каждой молекулы смеси, но на практике мы следим только за макроскопическими переменными, утрачивая обратимость.

В обсуждении декогеренции критическую роль играла наша способность изолировать наблюдаемую систему (Китти или какую-то элементарную частицу) от остального мира в истинно квантовой суперпозиции. Однако очевидно, что это очень специфический тип состояния, похожий на низкоэнтропийные состояния, с которых все начинается, как мы предполагали при рассмотрении второго начала термодинамики. В состоянии общего вида всевозможные варианты запутывания нашей маленькой системы и внешнего окружения будут существовать с самого начала.

Разумеется, ничто из написанного выше не должно вселять в вас уверенность в том, что добавление декогеренции к многомировой интерпретации позволит одним махом разделаться со всеми проблемами толкования квантовой механики. И все же это кажется шагом в правильном направлении; кроме того, подчеркивается важная взаимосвязь между макроскопической стрелой времени, известной нам еще по статистической механике, и другой макроскопической стрелой времени, проявляющейся при коллапсе волновой функции. Возможно, самое главное преимущество декогеренции заключается в том, что она позволяет отбросить такие плохо определенные понятия, как «разумный наблюдатель», из словаря, с помощью которого мы описываем этот мир.

Хорошенько запомнив все это, впредь мы продолжим в своих рассуждениях опираться на тот факт, что фундаментальные законы физики полностью обратимы на микроскопических масштабах. Это не неопровержимое утверждение, но за ним стоит очень сильная аргументация; к тому же оно позволяет нам сохранять объективность при изучении следствий данной конкретной точки зрения. И это приводит нас туда же, откуда все началось: к задаче объяснения очевидного отсутствия обратимости на макроскопических масштабах с помощью выбора особых условий вблизи Большого взрыва. Для того чтобы всерьез приняться за решение этой проблемы, необходимо для начала поговорить о гравитации и эволюции Вселенной.