Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Например, предположим, что у нас есть пара электронов, суммарный спин которых в некотором направлении равен нулю. В таком состоянии волновая функция (учитывающая только спин) представляет собой сумму двух слагаемых: первое слагаемое задает положительный спин электрона А и отрицательный спин электрона В, скажем, в северном направлении, тогда как во втором слагаемом волновой функции положительный и отрицательный знаки меняются местами. Спины электронов находятся в запутанном состоянии. Если не происходит ничего, что могло бы повлиять на эти спины, запутанность будет сохраняться, даже если электроны разлетятся на огромное расстояние. Как бы далеко друг от друга они ни находились, мы можем говорить только о волновой функции двух электронов, но не каждого по отдельности. Квантовая запутанность внесла не меньший, а может и больший вклад в недоверие Эйнштейна к квантовой механике, чем вероятностная модель.

Как ни странно, запутанность, следующая из законов квантовой механики, действительно наблюдается в экспериментах. Но как нечто столь нелокальное может олицетворять реальность?

Так что же нам делать с проблемами квантовой механики? Один из разумных ответов содержится в легендарном совете для любознательных студентов: «Замолчи и считай!» Спор ведь не о том, как использовать квантовую механику, а только о том, как понимать ее смысл, так что, возможно, это всего лишь проблема терминологии.

С другой стороны, проблемы, связанные с пониманием измерений в современной квантовой механике, могут сигнализировать о том, что теорию нужно менять. Квантовая механика настолько хорошо работает на уровне атомов, что любая новая теория должна быть практически неотличима от квантовой механики при рассмотрении столь мелких объектов. Однако новая теория может быть сконструирована таким образом, что суперпозиция состояний крупных объектов, таких как ученые-физики и их измерительные приборы, даже в условиях изоляции подвергается быстрому спонтанному коллапсу, при котором вероятности изменяются так, чтобы соответствовать результатам, получаемым в квантовой механике. Множественные миры Эверетта должны естественным образом свернуться к единому миру. Цель создания новой теории состоит в том, чтобы описать этот процесс как часть обычного физического процесса в рамках постквантовой теории, не придавая измерениям особый статус в физических законах.

Сложность создания такой новой теории связана с тем, что эксперимент не дает нам подсказок, в каком направлении двигаться, пока все данные согласуются с обычной квантовой механикой. Некоторые подсказки, однако, мы получаем из общих принципов, которые, как оказалось, задают удивительно строгие ограничения для любой новой теории.

Очевидно, вероятности должны быть заданы положительными числами, сумма которых равна 100 %. Еще одно требование, которое выполняется в обычной квантовой механике, состоит в том, чтобы в запутанных состояниях изменение вероятностей в процессе измерений не могло быть использовано для мгновенной передачи сигналов, поскольку иначе это будет нарушением теории относительности. СТО утверждает, что ни один сигнал не может быть передан со скоростью, превышающей скорость света. Если эти требования собрать вместе, оказывается, что самое общее изменение вероятностей удовлетворяет так называемому уравнению Линдблада [105] Это уравнение названо в честь Горана Линдблада, однако аналогичные уравнения были предложены независимо Виттори Горини, Анджеем Коссаковски и Джорджем Сударшаном. . Частным случаем уравнения Линдблада является уравнение Шрёдингера из обычной квантовой механики, однако в более общем случае в уравнение Линдблада входит ряд новых величин, которые описывают отступление от квантовой механики. Подробности об этих величинах нам, конечно, сейчас неизвестны. И хотя этого почти не заметили за пределами сообщества теоретиков, тем не менее уже вышла серия интересных статей, начиная с важной работы 1986 г. Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебера из Триесте, в которой для обобщения квантовой механики разными способами используется уравнение Линдблада.

В последнее время я раздумываю о возможностях экспериментального поиска признаков отклонения от обычных законов квантовой механики с помощью атомных часов. В основе любых атомных часов лежит изобретенное ныне покойным Норманом Рамзеем устройство, которое позволяет настраивать частоту микроволнового или оптического излучения на известное значение собственной частоты колебания атома, находящегося в суперпозиции двух состояний с разными уровнями энергии. Эта собственная частота равна отношению разности энергий двух состояний атома, используемого в атомных часах, к постоянной Планка. Собственная частота не зависит от внешних условий, поэтому ее можно использовать в качестве эталонной, подобно тому как цилиндр из платиново-иридиевого сплава, хранящийся в Севре [106] Коммуна в юго-западных предместьях Парижа, где расположена штаб-квартира Международного бюро мер и весов. — Прим. пер. , служит эталоном массы.

Подстройка частоты электромагнитной волны к этому эталонному значению немного похожа на подстройку частоты одного метронома к частоте другого. Если вы запустите два метронома вместе и их удары будут совпадать даже после тысячи повторений, вы сможете утверждать, что их частоты равны по крайней мере с точностью до одной тысячной. Квантово-механические расчеты показывают, что в атомных часах подстройка должна быть выполнена с точностью до 10–17, и такой точности действительно удается достичь. Но если бы поправки к квантово-механическим законам, которые описываются новыми членами уравнения Линдблада (представленные в энергетических единицах), были порядка 10–17 от разности энергий между состояниями атома в часах, то эта точность была бы потеряна [107] Показано в статье, которую я опубликовал в журнале Physical Review A в 2016 г. . Таким образом, величина новых членов должна быть намного меньше.

Насколько существенным является это ограничение? К сожалению, идеи о модификации квантовой механики представляют собой лишь смутные гипотезы, и мы пока не имеем ни малейшего представления, насколько велики могут оказаться поправки к квантово-механическим законам. Если принять во внимание не только эту проблему, но будущее квантовой механики в целом, то, на мой взгляд, здесь будет уместно процитировать Виолу из «Двенадцатой ночи»: