Джон Гриббин - Шесть невозможностей. Загадки квантового мира

Все такие эксперименты содержат вариации одной темы. Как правило, «чайник» представляет собой несколько тысяч ионов какого-нибудь элемента, например бериллия, захваченных электрическим и магнитным полями. Ион – это атом, лишенный одного или нескольких электронов и получивший в результате положительный заряд, благодаря чему им легко манипулировать при помощи таких полей. Ионы заранее подготовлены в таком энергетическом состоянии, из которого они «хотят» уйти, опустившись на более низкий энергетический уровень. За состоянием системы можно наблюдать при помощи хитроумной методики с применением лазеров, позволяющей определить, сколько ионов перешло в основное состояние за некоторый промежуток времени.

В одном типичном эксперименте через 128 мс оказалось, что в основное состояние перешла половина ионов. Если лазер «смотрел» на систему через 64 мс после начала, то перешедшими в основное состояние оказывалась лишь четверть ионов. Если же лазер вспыхивал каждые 4 мс и проверял систему 64 раза за 256 мс, то через этот промежуток времени оказывалось, что почти все ионы находятся в своем исходном состоянии. В категориях вероятностей, соответствующих нашей волновой функции, этот отказ «закипать» объясняется тем, что через 4 мс вероятность того, что некий ион уже перешел в основное состояние, составляет всего 0,001%, так что 99,99% ионов должны по-прежнему оставаться на уровне 1. И это верно для каждого интервала в 4 мс. Чем короче интервал между наблюдениями, тем сильнее описанный эффект. Волновые функции никогда не схлопываются, если за ними наблюдают. Тогда почему мы должны считать, что они вообще схлопываются? Бэллентайн утверждает, что они этого и не делают и что описанное выше явление – экспериментальное свидетельство в пользу ансамблевой интерпретации.

Однако у ансамблевой интерпретации есть одна серьезная проблема. Она явным образом утверждает, что волновая функция не применима к отдельным квантовым объектам и что никакой суперпозиции состояний не существует. Но экспериментаторы сегодня спокойно, в рабочем порядке манипулируют отдельными квантовыми объектами, например электронами, в ситуациях (таких как квантовые вычисления), где они, кажется, следуют описанию волновой функции, а кольцо SQUID вроде бы способно демонстрировать единичный макроскопический квантовый объект (электронная волна бежит по нему одновременно в обоих направлениях), находящийся в суперпозиции.

Прежде я думал, что это смертельный удар для идеи ансамблевой интерпретации, но Ли Смолин оживил ее в новом воплощении.

Новая версия ансамблевой интерпретации (АИ) включает концепцию нелокальности, которая, как уже экспериментально показано, является ключевым свойством Вселенной. Эйнштейна, вероятно, не обрадовали бы такие метаморфозы интерпретации, которую он поддерживал. Но Смолину они так нравятся, что он, ничуть не смущаясь, величает свою версию настоящей ансамблевой интерпретацией (НАИ). Ключевое отличие состоит в том, что если в традиционной АИ члены ансамбля не могут существовать все одновременно, то в версии Смолина они одновременно реальны. Чтобы сказать это короче и по существу, нам следует добавить одно жаргонное словечко, которым пользуются физики. Возможные квантовые компоненты ансамбля (скажем, атомы водорода) они называют «биэйблы» (от be able – мочь, иметь возможность), потому что это объекты, которые могли бы в принципе существовать. Но, как в случае с выбрасыванием одной игральной кости 600 раз вместо броска 600 костей сразу, все они не обязаны существовать одновременно. Концепция, которую из уважения к Смолину я буду называть НАИ, гласит: все биэйблы, составляющие ансамбль, на самом деле существуют в природе одновременно, как 600 игральных костей, которые бросают вместе, а не как одна кость, которую бросают 600 раз подряд. Любую квантовую систему в любой отдельно взятый момент времени характеризует вполне конкретное состояние дел, определяемое значениями биэйблов.

Смолин начинает с разумного принципа, согласно которому все, что, как предполагается, влияет на поведение реальной системы во Вселенной, само по себе тоже должно быть реальной системой во Вселенной. Неприемлемо, говорит он, «воображать, что существует какой-то жуткий способ, посредством которого “потенциальности влияют на реальности”». В интерпретации с волной-пилотом, к примеру, волна представляет собой реальное свойство Вселенной, этакий биэйбл, а не какую-то жуткую «волну вероятности». Но эта интерпретация вступает в конфликт с другим постулатом, который выдвинул Смолин: нигде в природе не должно существовать «безответного действия». По сути, это расширение третьего закона Ньютона, согласно которому в классических системах действие и противодействие равны по величине и противоположны по направлению. А вот в интерпретации с волной-пилотом волна влияет на частицу, но частица не влияет на волну – не противодействует. В то же время в ансамбле, каким его рисует Смолин, составляющие ансамбль биэйблы взаимно влияют друг на друга, порождая то поведение, которое мы видим в таких экспериментах, как эксперимент с двумя отверстиями. И если все компоненты ансамбля реальны, тогда нет никаких причин, по которым не может быть новых (в смысле не обнаруженных прежде) взаимодействий между ними.

Смолин приводит пример с атомами водорода в их минимальном энергетическом состоянии, которое называется основным состоянием. Существует ансамбль всех таких атомов водорода во Вселенной – настоящий ансамбль из настоящих биэйблов. Его компоненты взаимодействуют между собой нелокальным способом, посредством которого биэйблы копируют состояния друг друга в соответствии с правилами вероятности, связанными с этими квантовыми состояниями. Вероятности копирования не зависят от того, где именно в пространстве находятся компоненты, но зависят от способа, которым биэйблы распределяются в ансамбле. Квантовая статистика позволяет составить список позиций, в которых будут обнаружены атомы водорода в основном состоянии, но не позволяет сказать, какой атом водорода в какой локации находится. Смолин сумел показать математически, что на основании нескольких простых правил о том, как пары биэйблов влияют друг на друга, этот процесс позволяет получить все наблюдаемое поведение квантовых систем. А также объяснить, почему такие объекты, как коты и люди, не могут находиться в суперпозиции.

Ли Смолин

Nir Bareket

Квантовая механика, говорит Смолин, применима к небольшим подсистемам Вселенной, существующим во множестве экземпляров, как атомы водорода в основном состоянии. Но макроскопические системы, такие как коты и люди, не имеют нигде во Вселенной копий, и на них не влияет процесс копирования, который проходит с участием взаимодействующих квантовых биэйблов. В этом смысле им просто не с чем взаимодействовать.