Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон. Страница 84

Автор первой формулировки многомировой интерпретации — это не Бор, не Гейзенберг, не Шрёдингер и не один из других ученых, которые почитались как столпы науки на заре квантовой механики. Она была предложена в 1957 году Хью Эвереттом III, аспирантом, работавшим совместно с Джоном Уилером в Принстоне. [210] В то время (и на протяжении десятилетий спустя) превалирующей точкой зрения была копенгагенская интерпретация, поэтому Уилер сделал самый очевидный шаг: он отправил Эверетта в командировку в Копенгаген, для того чтобы тот обсудил свою новаторскую идею с Нильсом Бором и другими. Но поездка не увенчалась успехом: Бор был абсолютно не впечатлен, да и остальные члены физического сообщества не продемонстрировали особого интереса к идеям Эверетта. Он оставил научную работу ради должности в министерстве обороны, а позднее основал собственную компьютерную фирму. В 1970 году физик-теоретик Брайс Девитт (один из пионеров, помимо Уилера, применения квантовой механики к гравитации) подхватил знамя многомировой интерпретации и помог популяризовать ее среди физиков. Эверетту довелось при жизни увидеть возрождение интереса к его идеям в физическом сообществе, но к активным исследованиям он так и не вернулся; он скоропостижно скончался от сердечного приступа в 1982 году, в возрасте пятидесяти одного года.

Декогеренция

Несмотря на все ее преимущества, многомировая интерпретация квантовой механики — далеко не готовый продукт. Многие вопросы еще остаются без ответа: от глубоких и концептуальных: почему разумные наблюдатели идентифицируются с отдельными ветвями волновой функции, а не с суперпозициями — до исключительно технических: как в этом формализме оправдать правило о том, что «вероятности равны квадратам амплитуд»? Это реальные вопросы, ответы на которые совсем не очевидны, и это одна из причин, почему многомировая интерпретация пока не получила всеобщего одобрения и поддержки. Однако за последние несколько десятилетий был достигнут большой прогресс, особенно в вопросах, связанных с таким исконно квантово-механическим явлением, как декогеренция. Многие ученые (хотя и не все, и до достижения единства мнений пока еще далеко) выражают надежду на то, что это явление поможет нам разобраться, почему кажется, что волновые функции коллапсируют, хотя в многомировой интерпретации явно утверждается, что этот коллапс мнимый.

Декогеренция возникает, когда состояние какого-то крошечного фрагмента Вселенной — например, вашего мозга — так сильно перепутывается с частями глобального окружения, что больше не испытывает интерференции — явление, которое, в сущности, и определяет свойство «квантовости». Для того чтобы понять, как это работает, вернемся к примеру с запутанным состоянием Китти и Дога. Существуют две альтернативы с равными амплитудами: кошка находится под столом, а собака — в гостиной и кошка находится на диване, а собака — в саду:

Мы уже видели, как в ситуации, когда кто-то наблюдает состояние Дога, волновая функция (на копенгагенском языке) коллапсирует, оставляя Китти в некотором конкретном состоянии.

Но давайте теперь проделаем другой фокус: представьте себе, что никто не проверяет состояние Дога, все просто игнорируют его. По сути, мы отбрасываем любую информацию о запутанности между Китти и Догом и просто спрашиваем себя: каково состояние у Китти самой по себе?

Можно было бы предположить, что в данном случае ответом будет суперпозиция в форме (стол)+(диван), как раньше, до привнесения в ситуацию собачьих сложностей. Но это не совсем верно. Проблема в том, что интерференция — явление, благодаря которому мы, если уж на то пошло, убедились в том, что квантовые амплитуды необходимо принимать всерьез, — теперь невозможна.

В нашем исходном примере, где мы впервые познакомились с интерференцией, у амплитуды Китти, соответствующей нахождению под столом, было две составляющие: одна из варианта, где кошка останавливается у миски с кормом, а вторая — из варианта, где она останавливается у когтеточки. При этом критически важно было то, что эти две составляющие, которые в конечном итоге отменяли друг друга, вели к одному и тому же итоговому результату («Китти находится под столом»). Две составляющие конечной волновой функции интерферируют только в том случае, если они действительно приводят к одной и той же альтернативе для всего во Вселенной; если же они способствуют разным альтернативам, то интерференция между ними невозможна, даже если различия относятся ко всему прочему во Вселенной, за исключением самой Китти.

Таким образом, если состояние Китти запутано с состоянием Дога, интерференция между альтернативами, меняющими состояние Китти, невозможна без соответствующих изменений состояния Дога. Никакой добавок к волновой функции не может интерферировать с альтернативой «Китти находится под столом», потому что данная альтернатива — не полное описание того, что мы можем увидеть. Интерференция возможна только с альтернативами «Китти находится под столом, а Дог — в гостиной», которые действительно представлены в волновой функции. [211]

Следовательно, если Китти запутана с внешним миром, но нам неизвестны детали этого запутывания, неправильно считать ее состояние квантовой суперпозицией. На самом деле следует рассматривать его как обычное классическое распределение различных альтернатив. Как только мы отбрасываем любую информацию о том, с чем запутана наша кошка, состояние Китти перестает быть истинной суперпозицией; в любых мыслимых экспериментах Китти находится либо в одном состоянии, либо в другом, даже если мы не знаем, в каком конкретно. Интерференция невозможна.

Это декогеренция. В классической механике каждый объект находится в определенном положении, даже если нам неизвестно, каково в точности его положение, и все, что мы можем сделать, — это приписать вероятности различным альтернативам. Волшебство квантовой механики состоит в том, что такого понятия, как «где находится объект», больше не существует; объекты пребывают в одновременной суперпозиции возможных альтернатив, и мы знаем, что это должно быть правдой, потому что это подтверждается экспериментами, демонстрирующими реальность интерференции. Однако если квантовое состояние, описывающее объект, запутано с чем-то еще во внешнем мире, интерференция становится невозможной, и мы возвращаемся к традиционному классическому взгляду на вещи. С нашей точки зрения объект находится в том состоянии или в ином, и кроме как присвоить вероятности различным альтернативам, мы ничего больше сделать не можем: вероятности отражают наше неведение, а не глубинную реальность. Если квантовое состояние какого-то конкретного подмножества Вселенной представляет истинную суперпозицию, не запутанную с окружающим миром, мы говорим, что оно «когерентно»; если суперпозиция нарушена из-за запутывания с чем-то еще за пределами рассматриваемого подмножества, мы говорим, что она становится «декогерентной». (Вот почему в многомировой интерпретации установка камер слежения считается актом наблюдения; между состоянием кошки и состоянием камер появляется запутанность.)

Коллапс волновой функции и стрела времени

Очевидно, что в многомировой интерпретации декогеренция играет критически важную роль в процессе предполагаемого коллапса волновых функций. Суть не в том, что в «разумности» или в «наблюдателях» есть что-то особенное (за исключением того, что это сложные макроскопические объекты). А в том, что любой сложный макроскопический объект неизбежно взаимодействует (и следовательно, запутывается) с внешним миром, и пытаться отследить точный вид этого запутывания — дело абсолютно безнадежное. Крохотную микроскопическую систему, например отдельный электрон, можно изолировать и поместить в истинно квантовую суперпозицию, не запутанную с состояниями других частиц. Однако для такой сложной системы, как человек (или скрытая камера наблюдения, если уж на то пошло), это попросту невозможно.