Михаил Заречный - Квантово-мистическая картина мира. Структура реальности и путь человека
Однако, где граница между классическим и квантовым мирами? Насколько выводы из наблюдений за элементарными частицами приложимы к описанию макроскопических явлений, то есть явлений, в которых участвует огромное количество частиц?
Прежде всего, необходимо развеять несколько мифов о роли квантовых эффектов. Один из них заключается в том, что квантово-механическое рассмотрение применимо только к микрочастицам, а для больших масштабов вполне достаточно классического описания, быть может, с незначительными поправками.
Одна из причин подобного непонимания связана с тем, что у многих квантовая механика ассоциируется с так называемым дуализмом[55] «волна — частица», представление о котором возникло на заре развития КМ. Волновые свойства действительно не имеют существенного значения для макроскопических тел, а при выполнении некоторых условий уравнения КМ переходят в уравнения классической физики.
Отсюда многие делают ошибочный вывод, что нет необходимости в КМ при описании макромира. Однако каждое тело связано с окружением нелокальными связями, для возникновения которых достаточно любого когда-либо произошедшего взаимодействия. Классическое описание полностью игнорирует эту взаимосвязь объектов как частей целого. Очень часто эти связи оказываются столь существенными, что радикально меняют картину происходящего.
Например, спектр излучения Солнца (достаточно большого по любым меркам объекта), как и лампочки, или атома водорода, описывается исключительно квантовыми формулами. Более того, сама возможность существования атомов и твердых тел как стабильных структур возникает только благодаря квантовым эффектам. И есть еще явления сверхтекучести и сверхпроводимости, которые наблюдаются при низких температурах без всяких ограничений на размер системы, всё это — чисто квантовые явления.
Можно сказать иначе. Основной квантовый дуализм — это не дуализм «волна — частица», как считалось вплоть до 80-х годов прошлого века, а дуализм «локальность — нелокальность», который существует для всех тел, всех частиц вне зависимости от их размера. То есть КМ предоставляет взаимодополняющее описание любого объекта и как локализованного в пространстве-времени, и как не локализованного нигде.
Теория запутанных состояний и теория декогеренции формулируется не в категориях частиц, а в категориях систем и подсистем, содержащих любое число частиц. Нелокальные связи возникают между любыми взаимодействующими объектами, а не только между микрочастицами. Опыты по квантовым корреляциям в системах, содержащих макроскопическое число частиц, о которых мы упоминали во второй главе, однозначно подтверждают предсказания КМ.
И всё же следует заметить, что перенос выводов КМ на все окружающие нас системы в настоящее время является гипотезой. Ей мы и будем следовать в дальнейшем, сопоставляя предсказания и следствия КМ с известным человечеству мистическим опытом.
Перейдём к рассмотрению того, как связаны между собой классический и квантовый миры. Начнём с теперь уже очевидного для нас утверждения: наличие квантовой суперпозиции означает, что при существовании каких-либо векторов состояний |A>, |B>, |C>… возможна любая их комбинация вида a|A> + b|B> + g|C> +… с произвольными значениями коэффициентов a, b, g. То есть каждому набору классических состояний соответствует неизмеримо большее количество квантовых, а в классическую «действительность» превращается лишь одна из них. Это делает квантовый мир «огромным» в сравнении с классическим, а связь между этими мирами — не всегда однозначной.
Например, мы можем интерпретировать исходное состояние как нелокальное квантовое. А можем — и так поступают в ансамблевой интерпретации квантовой механики — рассматривать компоненты суперпозиции просто как совокупность (ансамбль) всех возможных классических состояний системы и считать, что в действительность превращается одна из возможностей этого ансамбля.
Результаты конкретных вычислений при этом будут совпадать.
В силу неоднозначности связи между классическим и квантовым мирами и возникает возможность различных интерпретаций КМ. Каждая из них по-своему отвечает на наиболее важные для понимания мироустройства вопросы:
• Является ли вектор состояния реальным объектом, или математической абстракцией, введение которой необходимо лишь для того, чтобы рассчитывать наблюдаемые величины?
• Является ли КМ детерминистической теорией, то есть позволяет ли она предсказать состояние системы на основании знания ее состояния в прошлые моменты времени? Возможны ли случайные процессы? Имеются ли скрытые переменные?
• Существует одна Вселенная или их множество?
• В чём заключается суть процесса измерения, и как происходит переход от квантового мира к классическому?
Рассматривать все известные интерпретации (а их около двух десятков) нам нет никакой необходимости. Тем более что большинство из них созданы до решающих экспериментов по проверке неравенств Белла и являются попыткой примирить КМ с «классическим» здравым смыслом. Мы рассмотрим интерпретации, наиболее важные для понимания общей ситуации: копенгагенскую, многомировую и экзистенциальную.
Наиболее известной на сегодняшний день является копенгагенская интерпретация[56] (КИ), родившаяся практически одновременно с самой квантовой механикой. В ней, фактически, сосуществуют два мира — классический и квантовый, каждый из которых живет по своим законам. Если за частицей не ведется наблюдение, она существует в состоянии суперпозиции, то есть в нескольких состояниях и/или точках пространства одновременно. Акт измерения «сводит» (редуцирует) волновую функцию частицы к конкретной точке или состоянию, где частица и обнаруживается, и этот переход необратим.
Для проявления квантового мира необходим классический прибор или наблюдатель, который обеспечивает «схлопывание» (редукцию, коллапс) волновой функции. Если редукции волновой функции не происходит, квантовое состояние остается ненаблюдаемым, и волновая функция является лишь формальным описанием нашего знания о системе, средством вычисления вероятности тех или иных событий.
Говоря словами известного физика Джона Уилера, в копенгагенской интерпретации «ни один квантовый феномен не является феноменом до тех пор, пока не станет наблюдаемым (зарегистрированным) феноменом». Иными словами, в КИ описывается не квантовый мир, а только то, что мы можем сказать о нём, используя измерительный прибор. При этом мы не можем описать измерительный прибор как квантовый объект.
Такой подход никак нельзя назвать последовательным, однако он достаточно прост для понимания и позволяет без лишних рассуждений рассчитывать всё необходимое. А на случай, когда какой-либо студент начинает задавать неудобные вопросы типа, как конкретно происходит редукция волновой функции и в чём она состоит, у преподавателя имеется простой, немного с солдатским юмором ответ: «Shut up and calculate!»[57]
Недостаток этого подхода в том, что нет объединенного описания Универсума (Вселенной) в целом. Получается, что классическая и квантовая теория одинаково необходимы, и граница между ними в лучшем случае неточна, ибо далеко не всегда ясно, что является «прибором» — техническое устройство или сознание наблюдателя. Поскольку реальность возникает только в ходе измерений, квантовая механика в КИ представляет собой лишь математическую структуру, позволяющую прогнозировать реальные величины.
В многомировой интерпретации квантовой механики, предложенной Хьюго Эвереттом[58], подход совершенно иной: каждая из компонент суперпозиции описывает целый мир, и ни одна из них не имеет преимущества перед другой. Если в копенгагенской интерпретации вектор состояния представлял собой полезную теоретическую конструкцию, то в многомировой интерпретации он имеет под собой реальную физическую основу.
С математической точки зрения, это просто другая формулировка квантовой механики. В традиционной интерпретации имеется один исход для каждого измерения. Мы можем только предсказать вероятность этого исхода, однако ничего нельзя сказать о том, по какой причине произошло именно так (к примеру, почему радиоактивное ядро распалось именно через секунду или именно через час). Напротив, в интерпретации Эверетта реализуются все возможные исходы любого события, только в разных мирах. А число миров, в которых произошло то или иное событие, пропорционально вероятности этого события. То есть вместо вопроса о вероятности события ставится вопрос о том, с какой вероятностью наблюдатель попадает в тот или иной мир.
