Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Рис. 7.4. Странные корреляции между квантовыми объектами, как бы далеко они друг от друга ни находились, могут быть объяснены только отказом от одного из фундаментальных допущений.

Некоторых людей настолько удручает такая ситуация, что это заставляет их усомниться даже в более фундаментальном предположении о реальности и нашей связи с ней. Оно заключается в небольшом утверждении, на котором строится большинство исследований квантовой реальности и квантовых измерений. Чтобы измерить значение некоторого квантового явления, сперва вы должны выбрать что-то, относительно чего вы будете измерять, – лабораторию, ветер или муху на потолке. Ваш выбор повлияет на результат измерения. А что если это не ваш выбор? Что если это кто-то другой тянет вашу руку, заставляя проводить эксперименты таким образом, чтобы корреляции всегда появлялись?

Это переносит нас в область свободной воли человека – скользкое пространство, где философов куда больше, чем физиков. Прозвучит несколько странно, однако некоторые серьезные ученые-физики считают, что отсутствие свободной воли – то есть участие в неком космическом кукольном представлении, – возможно, лучший способ уберечь нас от всех возможных неприятностей вроде таинственности, потери относительности и причинности, которые вызывают квантовые корреляции.

Проблема в том, что природу не интересует, чего бы и как нам хотелось. Проще говоря, не могут быть правильными абсолютно все наши концепции реальности, относительности, причинности, свободной воли, пространства и времени. Но какие именно неверны?

Разработка твердой теоретической основы для квантовой теории не давалась ученым на протяжении более сотни лет. Но шесть основных принципов могут стать фундаментом, который поможет найти в ней смысл – и привести к теории всего.

Мы привыкли к Вселенной, поражающей наше воображение, – возможно, даже слишком привыкли. Поэтому возникает соблазн опустить руки и сказать, что человеческий мозг никогда не сможет ее постичь. Изящные уравнения квантовой теории как-никак были разработаны не для того, чтобы содержать в себе некий универсальный вселенский принцип, а с конкретной целью «объяснения» таинственных результатов опытов. Квантовые объекты описываются волновыми функциями, которые могут соответствовать, а могут и не соответствовать чему-то физическому, существующими в абстрактной многомерной области, называемой гильбертовым пространством. Более того, они эволюционируют по непонятным правилам, заложенным в уравнении Шрёдингера. В 1925 году Эрвин Шрёдингер пришел к такой формулировке случайно, изучая уравнения классической оптики, которые имеют дело с волнами, а не частицами. Оно работает хорошо, но вот не вполне ясно почему.

Похоже, что фундамент, на котором основывается квантовая механика, состоит из информации. Множество теоретиков приходят к выводу, что все физические взаимодействия могут быть описаны как форма обработки информации. Например, атомы несут информацию в своих импульсах: когда атомы сталкиваются, как два шара на бильярдном столе, их импульсы меняются подобно тому, как меняются двоичные цифры, когда проходят через логические элементы компьютера. Правила, регламентирующие работу с информацией, могут в конечном счете определить, что происходит, а что не происходит в нашей Вселенной (см. ниже в блоке «Пятеричный путь»).

Джакомо Мауро Д’Ариона из Павийского университета (Италия) и его коллеги Джулио Чирибелла и Паоло Перинотти выдвинули пять фундаментальных принципов, которые должны применяться к любой физической системе, чтобы провести над ней разумные измерения – как и шестой, который, как они утверждают, объясняет таинственность квантовых измерений (см. в этом параграфе).

1. Причинность.Что-то в будущем не может влиять на измерения, которые вы проводите прямо сейчас.

2. Различимость.Если состояние не слишком шумное, тогда существует другое состояние, которое можно отличить от этого.

3. Композиция.Если вы знаете все, что возможно знать о каждой стадии процесса, тогда вы знаете все, что в принципе можете знать обо всем процессе.

4. Сжатие.Есть способы эффективной передачи всей информации, относящейся к измерению физической системы без необходимости передачи самой системы.

5. Томография.Когда у вас имеется система, состоящая из нескольких частей, статистика измерений, проведенных над отдельными частями, достаточна для установления состояния всей системы в целом.

Возможно, эти принципы – все, что нужно для того, чтобы разобраться, как устроен мир – и привести нас к теории всего.

Есть несколько явлений, отличающих квантовую физику от повседневной, классической. Первое – это суперпозиция, когда кажется, что частицы находятся в двух местах одновременно или в одно и то же время вращаются и по, и против часовой стрелки. Второе – это запутанность: две частицы запутаны, если измерение свойств одной мгновенно влияет на свойства другой независимо от того, как далеко они друг от друга находятся. Помимо этого, существует результат любого измерения в квантовой системе, на первый взгляд представляющийся случайным. Вы не можете сказать, каким будет результат любого измерения перед тем, как вы его проведете; вы можете только вычислить вероятности различных исходов.

В области теории квантовой информации существует важное различие между типами квантовых состояний. Для приложений, например криптографии, некоторые состояния описываются как чистые – это означает, что мы знаем все, что в принципе можно знать о таких состояниях. Довольно легко, например, знать все об одиночном изолированном атоме водорода, когда он находится в состоянии с наименьшей энергией – это чистое состояние. Кроме того, есть смешанные состояния, полной информацией о которых мы пока не обладаем. К примеру, одна частица из запутанной пары находится в смешанном состоянии: вы не можете знать все об одном члене такой пары без рассмотрения ее партнера.

Но интригует то, что вместе эти запутанные частицы образуют чистые состояния. Две частицы содержат всю информацию, которую нужно знать о квантовой системе. Возможно ли, что вся беспорядочная неопределенность квантового мира просто вытекает из нехватки информации – измерения смешанного состояния без доступа к бÓльшему чистому состоянию, частью которого оно является?

Если бы каждое смешанное состояние было частью чистого, было бы возможно описать каждый физический процесс с максимальной детализацией. Возьмите существование такой перспективы в качестве так называемого принципа очищения, и тогда кому-то всегда будет открыт доступ к чистому состоянию для проведения измерений, согласующихся с теми, что проводятся наблюдателями с меньшими возможностями, имеющими дело со смешанными состояниями (см. рис. 7.5). Конечно, это не избавляет от таинственности, но все же делает ее явной.