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

Над решением этих вопросов физики бьются и сегодня. Нет ни одного эксперимента, чьи результаты когда-либо расходились с предсказаниями квантовой теории, и мы можем быть уверены, что она представляет собой хороший способ описания устройства Вселенной в самых малых масштабах. Таким образом, у нас остается лишь одна проблема: что это значит?

Утверждение о том, что мы понимаем квантовую механику, может дорого стоить, например принятия существования параллельных вселенных. В этой картине вероятностная волновая функция, описывающая квантовые объекты, не «коллапсирует» в классическую определенность каждый раз, когда вы проводите измерения над ними; реальность просто расщепляется на столько параллельных миров, сколько имеется возможностей измерения. Один из них уносит с собой вас и реальность, в который вы живете. По словам Ричарда Фейнмана: «“Парадокс” – это всего лишь конфликт между реальностью и предчувствием того, чем должна быть реальность».

Физики пытаются ответить на эти вопросы с помощью «интерпретаций» – философских рассуждений о том, что лежит за квантовой теорией, полностью соответствующих опытам. Никакая другая теория в науке не имеет так много взглядов на нее (см. рис. 3.1). Почему так получилось? И достигнет ли главенства какой-то из них?

Возьмем, например, копенгагенскую интерпретацию, введенную датским физиком Нильсом Бором. Она гласит, что любая попытка рассуждать о положении электрона, например внутри атома, бессмысленна без проведения его измерения. Только когда мы взаимодействуем с электроном при помощи не-квантового, или классического, устройства, пытаясь наблюдать его, он действительно принимает какие-то черты того, что мы назвали бы физическим свойством, и поэтому становится частью реальности. С ее принципами неопределенности и парадоксами измерений копенгагенская интерпретация сводится к признанию того, что любая наша попытка найти общий язык с квантовой реальностью уменьшает ее до неглубокой классической проекции полного квантового богатства.

Рис. 3.1. «Зоопарк» различных интерпретаций квантовой теории.

Кроме того, есть многомировая интерпретация, где квантовая странность объясняется тем, что все существует одновременно в нескольких мириадах параллельных вселенных. Или вы, наверно, предпочли бы интерпретацию де Бройля – Бома, в которой квантовая теория рассматривается как неполная: нам не хватает некоторых скрытых свойств, придающих всему смысл.

Есть еще очень много интерпретаций, например интерпретация Гирарди – Римини – Вебера, транзакционная (у которой есть частицы, путешествующие назад во времени), интерпретация британского физика Роджера Пенроуза с коллапсом, вызванным гравитацией, и модальная. За прошедшие 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом, и пока нет аргументов, окончивших бы споры о сути квантовой механики. Тем не менее, кажется, лишь немногие из этих интерпретаций что-то значат в научных кругах.

Самая популярная из всех – это копенгагенская интерпретация Бора. Ее популярность во многом объясняется тем, что физики в большинстве своем не хотят утруждать себя философией. Вопросы о том, что именно представляет собой измерение или почему оно может вызывать изменения в ткани реальности, могут не приниматься во внимание в пользу простого получения полезного ответа от квантовой теории.

Вот почему беспрекословное следование копенгагенской интерпретации иногда называют интерпретацией «Заткнись и считай!». Тем не менее у этого подхода есть пара недостатков. Он никогда не расскажет нам о фундаментальной природе реальности, ведь для этого требуется искать те места, где квантовая теория терпит неудачу, а не те, где она преуспевает. Работа в добровольном заключении также означает, что появление новых приложений квантовой теории маловероятно. Однако многочисленные точки зрения на квантовую механику могут быть стимулом для новых идей, и самое наглядное доказательство этому – область квантовой информации.

В основе этой области лежит явление запутанности, когда информация о свойствах набора квантовых частиц присваивается всем этим частицам. В результате измерение одной частицы мгновенно повлияет на свойства ее партнеров по запутанности, как бы далеко они друг от друга ни находились.

Идея запутанности кажется настолько странной, что физик Джон Белл разработал мысленный эксперимент для выяснения, может ли она проявляться в реальном мире (см. главу 2). Когда его проведение стало возможным, опыт доказал, что может, и сообщил многое о тонкостях квантовых измерений. Данный результат заложил основы квантовых вычислений, в которых одно измерение может поведать вам о тысячах или даже миллионах вычислений, проведенных параллельно запутанными частицами, а также квантовой криптографии, защищающей информацию при помощи самой природы квантовых измерений (см. главу 4).

По вполне понятным причинам обе эти технологии привлекли внимание правительства и индустрии, стремящихся внедрять в свою деятельность лучшие разработки – и препятствовать их попаданию в чужие руки. Физики, однако, больше заинтересованы в том, что эти явления говорят нам о природе реальности. По-видимому, одним из следствий экспериментов с квантовой информацией является то, что информация, содержащаяся в квантовых частицах, находится в основе реальности.

Последователи копенгагенской интерпретации рассматривают квантовые системы как носители информации, а в измерениях с использованием классической аппаратуры не видят ничего особенного – это всего лишь способ регистрации изменений в информационном содержании системы. Этот новый фокус на информацию как на фундаментальный компонент реальности также породил предложение, что Вселенная – это громадный квантовый компьютер.

Однако, несмотря на все шаги к цели, сделанные благодаря копенгагенской интерпретации, множество физиков относится к ней критично. Отчасти это объясняется тем, что она требует чего-то вроде искусственного разграничения между крошечными квантовыми системами и классической аппаратурой, или наблюдателями, проводящими их измерения. Рассмотрение природы вещей в масштабах Вселенной также обеспечило критиков копенгагенской интерпретации аргументами. Если процесс измерения, проводимого классическим наблюдателем, является основополагающим для построения реальности, которую мы наблюдаем, то что провело наблюдения, ставшие основой для появления содержимого всей Вселенной?