Джон Гриббин - Шесть невозможностей. Загадки квантового мира

Если фанаты этой идеи правы, граница между квантовостью и обычным миром определяется когерентностью, а не размерами. Бор и его коллеги высказывались об этом весьма туманно, и на то есть причина. Они могли бы вполне разумно утверждать, что такой крупный и сложный объект, как кот, слишком велик, чтобы находиться в квантовой суперпозиции, в то время как отдельные атомы могут находиться в ней. Но если мы начнем придумывать собственные варианты мысленного эксперимента с котом в ящике, то где нужно будет провести границу? Достаточно ли велика блоха, чтобы точно знать, жива она, мертва или находится в состоянии суперпозиции? А микроб? Никто этого не знал.

Один человек принял вызов и решил найти ответ на этот вопрос. Энтони Леггетт, работавший в конце 1960-х и в 1970-е гг. в Университете Сассекса, твердо решил разработать эксперименты, которые позволили бы проверить, приложимы ли по-прежнему правила квантовой механики к описанию поведения так называемых макроскопических объектов – достаточно больших, чтобы их можно было взять в руку (или еще больше). Это привело Леггетта к созданию сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID). Типичное такое устройство было размером примерно с обручальное кольцо, его действительно можно было брать [15], но, поскольку для работы устройство приходилось охлаждать до сверхнизких температур, держать его в руке в работающем состоянии было нельзя. Электрический ток в сверхпроводнике, будучи раз запущенным, течет вечно. Поведение такого тока, протекающего по кольцу SQUID, можно отслеживать, его можно корректировать с помощью электрического и магнитного полей. Эксперименты показали, что электронная волна, бегающая по кольцу, ведет себя как единый квантовый объект, который примерно в сто миллионов раз крупнее атома (и наверняка крупнее бактерии или даже блохи). Таким образом, Леггетт достиг первой поставленной цели, но не остановился на этом.

Возможно, вы думаете, что такая волна может бежать по кольцу в одну сторону или в другую, но не в обоих направлениях одновременно. Ошибаетесь. Эксперименты, проведенные в начале XXI в., продемонстрировали эффекты, указывающие на движение волны в обоих направлениях одновременно. Не двух волн, движущихся в противоположных направлениях, а одной и той же волны, идущей одновременно и так и этак – в суперпозиции. Так что квантовость объекта определяет не его размер, а факт когерентности волн.

С тех пор работа в этом направлении значительно продвинулась, что принесло Леггетту Нобелевскую премию и рыцарский титул. Устройства SQUID становятся все крупнее и находят практическое применение в медицине в качестве чувствительных детекторов магнитных полей, генерируемых человеческим телом, а также в качестве потенциальных компонентов квантовых компьютеров. Для нас же важно отметить, что, пока волны когерентны, они ведут себя как макроскопические примеры четко выраженных квантовых состояний, но, когда температура повышается и волны декогерируют, они перестают демонстрировать квантовость. На языке Бора можно сказать, что декогеренция, судя по всему, вызывает схлопывание волновой функции. Поэтому некоторые физики считают, что интерпретация с декогеренцией – это та же копенгагенская интерпретация, но под другим названием. Однако при этом упускается из виду ключевая роль суперпозиции и запутанности в строгой формулировке интерпретации с декогеренцией.

Энтони Леггетт

Tony Evans/Timelapse Library Ltd./Getty Images

Суперпозиция и запутанность – две стороны одной монеты. Когда две «частицы» взаимодействуют, они становятся запутанными, и с этого момента все, что происходит с одной из них, влияет на другую. По существу, они становятся единым объектом. Точно так же волну, бегающую по кольцу SQUID одновременно в обоих направлениях, можно считать двумя волнами в суперпозиции, запутанными между собой. Результат этого – единый квантовый объект, волна, бегущая по кольцу не в одном направлении, а в двух сразу. Неудивительно, что интерпретация с декогеренцией появилась только в 1980-х гг., одновременно с экспериментами, установившими, что запутанность – верное описание способа функционирования нашего мира.

Что же на самом деле происходит, когда «чистый» квантовый объект взаимодействует с внешним миром и «декогерирует»? Он становится не менее , а более запутанным. Представьте себе одиночную частицу в чистом квантовом состоянии. Стоит ей рассеяться на другой частице (или хотя бы вступить во взаимодействие с фотоном света), как она становится запутанной. Если любой из двух запутанных объектов взаимодействует с третьим, все три становятся запутанными, а их квантовые состояния оказываются в суперпозиции. Запутанность распространяется, что называется, быстрее лесного пожара. На практике просто не существует такой вещи, как «чистая» квантовая система, отделенная от внешнего мира (разве что в совершенно особых обстоятельствах, таких как эксперименты со SQUID’ами), а существует запутанная система того и другого, суперпозиция всего, что когда-либо взаимодействовало с первоначальной частицей, и всего, с чем она когда-либо взаимодействовала, а также всего, с чем все это когда-либо взаимодействовало или контактировало. Декогеренция на самом деле означает связывание всего сущего в мире – во Вселенной – в единую квантовую систему. Мы уже не наблюдаем квантовости некогда изолированной частицы, потому что она смешалась со всем остальным. Из-за результирующей некогерентности чрезвычайно трудно разобраться в фундаментальной квантовости всего, кроме простейших систем. Математики расскажут, что в принципе это возможно, поскольку уравнения, описывающие квантовый мир, обратимы во времени. Но не стоит, затаив дыхание, ждать, что кто-нибудь попробует это проделать.

Как отметил Филип Болл, декогеренция очень быстро приводит к некогерентному состоянию, эквивалентному суперпозиции такого числа квантовых состояний, которое превышает число элементарных частиц в наблюдаемой Вселенной. Болл задал вопрос: «Можно ли объявить задачу строго нерешаемой только потому, что во Вселенной недостаточно информации для ее решения?» [16] Дэвид Дойч, конечно, вообще не увидел бы в этом проблемы! Но в этом Утешении речь идет в основном о декогеренции, а не о ММИ. Также Болл привел некоторые оценки времени, необходимого системе для декогеренции. У крупных объектов декогеренция проходит быстрее, потому что в них больше кусочков, способных взаимодействовать с другими объектами и друг с другом. У пылинки, плавающей в воздухе и бомбардируемой окружающими молекулами, декогеренция занимает меньше времени, чем нужно фотону, движущемуся со скоростью света, чтобы пройти расстояние, эквивалентное диаметру протона. Даже в межзвездном пространстве пылинка, плавающая свободно и взаимодействующая только с фотонами реликтового излучения, декогерирует примерно за секунду. «Для всех практических целей декогеренция мгновенна и неизбежна». Это относится и к знаменитому коту Шрёдингера. Чтобы быть «одновременно мертвым и живым», этот кот должен быть «подготовлен» в некоем почти невероятном когерентном состоянии чистой квантовости. Одно дело – подготовить в чистом квантовом состоянии SQUID, и совсем другое – проделать это с котом. А если вам это удастся, то квантовый кот декогерирует либо в мертвого, либо в живого кота быстрее, чем декогерирует плавающая в воздухе пылинка.