Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон. Страница 80

В связи с этим у нас есть хорошая новость и плохая. Хорошая новость заключается в том, что это соответствует экспериментальным данным. Если считать, что волновые функции коллапсируют каждый раз, когда мы выполняем наблюдение, какую бы ненавязчивую стратегию наблюдения мы ни выбрали, превращаясь в собственные состояния, связывающие 100-процентную вероятность с увиденным нами результатом, то мы можем с уверенностью заявлять, что способны объяснить любые квантовые явления, известные физикам.

Плохая же новость такова: в этом нет смысла. Что можно считать «наблюдением»? Может ли сама кошка совершить наблюдение? А неживой объект? Определенно, мы не хотим верить в то, что такое явление, как сознание, каким-то образом может играть ключевую роль в фундаментальных законах физики? (Не хотим и не будем!) И действительно ли предполагаемый коллапс происходит мгновенно, — или все же постепенно, но просто очень быстро?

Необратимость

По сути, больше всего в копенгагенской интерпретации квантовой механики нас беспокоит то, что «наблюдение» здесь рассматривается как совершенно особый тип природного явления, требующий отдельного закона природы. В классической механике все происходящее вокруг нас может быть объяснено с помощью систем, эволюционирующих согласно законам Ньютона. Однако если мы учитываем коллапс волновой функции как он описан выше, в квантовой механике система эволюционирует согласно правилам двух совершенно разных типов.

   1. Когда мы не смотрим, волновая функция эволюционирует гладко и предсказуемо. Роль, которую в классической механике играют ньютоновские законы, в квантовой механике отводится уравнению Шрёдингера, действующему по абсолютно аналогичному сценарию. Зная состояние системы в любой момент времени, мы можем применить уравнение Шрёдингера, для того чтобы достоверно спрогнозировать ее развитие как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое. Эволюция сохраняет информацию и полностью обратима.

   2. Когда мы выполняем наблюдение, волновая функция коллапсирует. Коллапс происходит не гладко, он непредсказуем, и информация при этом не сохраняется. Значение амплитуды (в квадрате), присвоенное каждому конкретному результату, сообщает нам вероятность того, что волновая функция перейдет в состояние, полностью сконцентрированное на этом результате. Две разные волновые функции могут запросто сколлапсировать в одно и то же состояние при условии, что наблюдение осуществляется; следовательно, коллапс волновой функции необратим.

Безумие! Но это работает. В копенгагенской интерпретации мы берем понятия, кажущиеся простым приближением к некоей глубинной базисной истине, — проводя различие между «системой», представляющей собой истинно квантовый механизм, и «наблюдателем», не выходящим за рамки классической механики, — и воображаем, будто эти категории играют критическую роль в фундаментальной структуре реальности. Большинство физиков, даже те, кто ежедневно применяет квантовую механику в своих исследованиях, прекрасно понимают друг друга, разговаривая на языке копенгагенской интерпретации, и совершенно не беспокоятся о неловких вопросах, которые она поднимает. Другие, особенно те, кто серьезно задумывается об основах квантовой механики, убеждены, что нам необходимо нечто более совершенное. К сожалению, единого мнения относительно того, как могло бы выглядеть это более совершенное толкование, пока не выработано.

Для многих людей самое проблемное свойство квантовой механики — это как раз крах безупречной предсказуемости (Эйнштейн один из них; именно с этим связано его знаменитое высказывание о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной»). Если копенгагенская интерпретация верна, то в квантовом мире не может существовать такого явления, как демон Лапласа; во всяком случае, пока этот мир включает наблюдателей. Акт наблюдения привносит в эволюцию мира элемент истинной случайности. Не полностью случайный (волновая функция может обеспечивать очень высокую вероятность увидеть один какой-то результат и очень низкую — любые другие). Но непреодолимо случайный, в том смысле, что не существует такой утерянной информации, которая, попади она к нам в руки, позволила бы точно прогнозировать результаты. [207] Великолепие и слава классической механики — это отчасти следствие ее железобетонной надежности: даже если демон Лапласа в действительности не существует, мы знаем, что, в принципе, он может существовать. Квантовая механика разрушает эту надежду. Людям потребовалось немало времени для того, чтобы привыкнуть к мысли о вероятности как о еще одной неотъемлемой фундаментальной характеристике законов физики, и многим это понятие по сей день причиняет огромный душевный дискомфорт.

Один из вопросов, которые мы задавали о стреле времени, — каким образом нам примирить между собой необратимость макроскопических систем, описываемых статистической механикой, с несомненной обратимостью микроскопических законов физики. Однако сейчас, когда мы узнали о квантовой механике, создается впечатление, что микроскопические законы физики вполне могут оказаться необратимыми. Коллапс волновой функции — это процесс, привносящий собственную стрелу времени в физические законы: волновые функции коллапсируют, но расколлапсировать они не в состоянии. Если мы наблюдаем за Китти и видим, что она на диване, то сразу же после выполнения этого измерения мы понимаем, что она пребывает в собственном состоянии (100 % на диване). Но нам неизвестно, в каком состоянии она была до того, как мы провели измерение. Очевидно, что это информация была уничтожена. Мы знаем лишь, что для того, чтобы кошка оказалась на диване, волновая функция когда-то должна была иметь ненулевую амплитуду, — но мы не можем сказать, каково было значение амплитуды, а также какие амплитуды соответствовали другим возможным исходам, если таковые были.

Итак, коллапс волновой функции — если это действительно верная интерпретация квантовой механики — определяет собственную стрелу времени. Можно ли на ее основании как-то объяснить «главную» стрелу времени — термодинамическую стрелу, присутствующую во втором начале термодинамики, которую мы обвинили во всевозможных макроскопических отличиях прошлого от будущего?

Вероятно, нет. Несмотря на то что необратимость — ключевая характеристика стрелы времени, не все необратимости одинаковы. И совершенно непонятно, как один тот факт, что волновые функции коллапсируют, может объяснить гипотезу о прошлом. Вспомните, о чем мы говорили: нетрудно понять, почему энтропия увеличивается; трудно понять, почему она вообще когда-то была низкой. Коллапс волновой функции не предлагает никакой помощи в понимании этого вопроса.

С другой стороны, квантовая механика наверняка сыграет определенную роль в окончательном объяснении стрелы времени, даже если внутренняя необратимость коллапса волновой функции сама по себе напрямую проблему не решает. В конце концов, мы верим, что законы физики по своей сути квантово-механические. Именно квантовая механика устанавливает правила и диктует нам, что разрешено, а что запрещено в нашем мире. Абсолютно естественно ожидать, что эти правила включатся в действие, когда мы, наконец-то, начнем понимать, почему у нашей Вселенной была такая низкая энтропия сразу после Большого взрыва. Нам пока неизвестно наверняка, куда приведет нас это путешествие, но мы достаточно сообразительны, для того чтобы предсказать, какие инструменты точно пригодятся нам в дороге.

Неопределенность

В своем обсуждении волновых функций мы обходили молчанием одно критически важное свойство. Мы сказали, что волновые функции связывают амплитуду со всеми возможными результатами любого наблюдения, которое только нам вздумается провести. В нашем мысленном эксперименте мы ограничились только одним типом наблюдения — проверкой местоположения кошки — и только двумя возможными результатами в каждый из интересующих нас моментов времени. У реальной же кошки, или элементарной частицы, или яйца, или любого другого объекта бесконечное число возможных положений, и соответствующая волновая функция в каждом случае связывает амплитуду с любой из этих возможностей.