Квантовая теория – научный шедевр, но физики до сих пор не уверены, как ее можно использовать

Столетие – это оказывается не так много. Ровно сто лет назад в Брюсселе, Бельгия, состоялась первая всемирная конференция физиков. Главный вопрос, стоявший перед физиками на ней, может быть сформулирован следующим образом: что делать с этой странной новой квантовой теорией, и будет ли возможно когда-нибудь согласовать ее с нашим повседневным опытом, включив ее в единственное последовательное описание мира.

Этот вопрос стоит перед физиками и сегодня. Квантовые частицы, вроде атомов, молекул имеют странную способность находиться в двух местах сразу, вращаться по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно, или мгновенно влиять друг на друга, когда их разделяет половина вселенной. Любая вещь состоит из этих атомов и молекул, но ей недоступно то, что доступно квантовым частицам. ”Почему? В каком месте квантовая механика прекращает свое действие?” – спрашивает Харви Браун, доктор философии University of Oxford.

Ответ на этот вопрос должен все-таки появиться, но каждый, кто ищет ответ на него, ищет в нем свои резоны. Эти поиски, например, породили совершенно новую область науки – квантовую информатику, привлекшую к себе пристальное внимание высокотехнологичной промышленности и правительств. Ответ на этот вопрос дает нам новый взгляд на проблему построения окончательной физической теории и ответ на этот вопрос мог бы даже помочь понять, как возникла наша Вселенная. В свое время эти поиски стимулировал один квантовый циник – некий Альберт Эйнштейн, создавший ”мягкую подушку, убаюкавшую физиков”. К сожалению, в квантовой теории, которую он так и не принял, Эйнштейн оказался бессилен. Ни один эксперимент не подтвердил его предсказаний. Но сейчас мы полностью уверены, что квантовая теория хорошо описывает Вселенную на микроскопическом уровне. Но вопрос, все-таки, остается, а что это все означает.

Физики пробуют ответить на этот вопрос, привлекая ”интерпретации”, философские предположения, полностью согласующиеся с экспериментом. Но и тут возникает вопрос, а какая из них справедлива. “Существует целый зоопарк интерпретаций” – говорит Влатко Ведрал, делящий свое время между University of Oxford и Centre for Quantum Technologies, Singapur. ”Нет ни одной теории в науке, которая имела бы столько способов интерпретации эксперимента. Как так? И будет ли когда-нибудь сделан выбор между интерпретациями?”

Возьмем, например, Копенгагенскую интерпретацию, введенную датским физиком Нильсом Бором. Согласно этой интерпретации говорить о месте нахождения электрона внутри атома бессмысленно, пока не проведены измерения. Только когда мы провзаимодействуем с электроном, наблюдая его с помощью ”классического прибора”, мы будем знать все его характеристики и тем самым сделаем его частью реальности.

Существует и ”многомировая интерпретация”, в которой квантовая неопределенность объясняется существованием частицы в бесчисленных параллельных Вселенных. Или можно было бы предпочесть интерпретацию де Бройля – Бома, в которой квантовая теория полагается неполной. Согласно которой у нас отсутствует информация о некоторых скрытых свойствах частиц, зная которые мы полностью избавились бы от неопределенности.

Существует много интерпретаций по типу интерпретации Жирарди – Римини – Вебера, в которых существуют частицы, путешествующие назад во времени. Эти интерпретации были вызваны к жизни гравитационной моделью краха Вселенной Роджера Пенроуза. Словом, за прошедшие 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом. Но из всего этого толкания и суматохи есть только несколько интерпретаций, которые имеют значение для большинства физиков.

Замечательный Копенгаген

Самая популярная из всех – Копенгагенская интерпретация Бора. Ее популярность связана, в основном, с тем, что физики не хотят обременять себя философией. Вопросы вроде, а что представляет собой процесс измерения и почему он может вызывать изменения в ткани реальности, могут просто игнорироваться в пользу простого получения нужного ответа из квантовой теории. Поэтому становится понятным такая популярность Копенгагенской интерпретации, которую иногда называют интерпретация ” молчи и вычисляй”. “Учитывая, что большинство физиков только хотят произвести вычисления и затем применить полученные результаты, они устраняются от этих проблем” – говорит Ведрал.

Однако этот подход имеет и отрицательные черты. Во-первых, в рамках этой интерпретации вы ничего не можете говорить о фундаментальной природе реальности. Этот вопрос потребует поиска ситуаций, в которых квантовая теория терпит неудачу, а где она преуспевает (New Scientist, 26 June 2010, p 34). ”Если когда-нибудь появится новая теория, я не думаю, что это произойдет в рамках физики твердого тела, в той области, где работает большинство физиков” – говорит Ведрал.  Во-вторых, работа в рамках одной интерпретации так же означает, что вряд ли появятся новые применения квантовой теории. Множество взглядов, с точки зрения которых мы можем постигать квантовую механику, может быть катализатором для появления новых идей. ”Если вы решаете какую-то проблему, то должны быть в состоянии мыслить и в рамках различных интерпретаций” – говорит Ведрал.

Как нигде, это утверждение становится очевидным в области квантовой информации. “Эта область знаний даже и не возникла, если бы люди не размышляли об основах квантовой физики” – говорит Антон Зейлингер, University of Vienna, Austria. В основе этой области знаний лежит явление запутанности, когда информация о свойствах ряда квантовых частиц становится разделенной между всеми ними. Результат состоит в том, что Эйнштейн замечательно назвал ”похожим на привидение воздействием на расстоянии”, а именно, измерение свойств одной частицы мгновенно затронет других, запутанных с ней, партнеров, независимо от того, насколько далеко друг от друга они находятся.

Сначала, определенная уравнениями квантовой физики, запутанность казалась такой сверхъестественной идеей, что ирландский физик Джон Белл сформулировал мысленный эксперимент, пытаясь показать, что ничего подобного в реальном мире существовать не может. Со временем стало возможным провести этот эксперимент, и он показал, что Белл был неправ. Этот эксперимент много сказал физикам о тонкостях квантового измерения. Этот эксперимент также заложил основы квантовой вычислительной техники, когда единственное измерение могло бы дать ответ на тысячи, а возможно и миллионы вычислений, сделанных параллельно другими квантовыми частицами. Этот эксперимент также заложил основы квантовой криптографии, которая защищает информацию, используя саму природу квантового измерения. Понятно, что обе эти технологии привлекли к себе внимание правительств и промышленности, желающими обладать самыми современными технологиями и не допустить их попадания в неправильные руки.

Однако физиков больше интересует, что эти явления говорят нам о природе реальности. Результаты квантовых информационных экспериментов говорят нам о том, что информация содержится в квантовой неопределенности, в самом корне реальности.

Сторонники Копенгагенской интерпретации, представителем которых является Зейлингер, видят квантовые системы, как носители информации и измерения, произведенные классическими приборами, есть не что иное, как способ регистрации изменения в информационном содержании системы. ”Измерение обновляет информацию” – говорит Зейлингер. Восприятие информации, как фундаментальной компоненты реальности, побудил некоторых исследователей предположить, что сама Вселенная является огромным квантовым компьютером.

Однако на фоне всех успехов, достигнутых в рамках Копенгагенской интерпретации, есть большое количество физиков, которые хотели бы увидеть и другую сторону этих явлений. В значительной степени такое стремление возникает постольку, поскольку точка зрения Копенгагенской интерпретации походит на искусственное разделение между микроскопическими квантовыми системами и классическим аппаратом, или наблюдателями, которые выполняют эти измерения.

Ведрал, например, исследовал роль квантовой механики в различных биологических процессах, в истоках которых лежит понятие кванта. Таких, как фотосинтез и биологические системы, реагирующие на радиацию (New Scientist, 27 November, p 42). “Мы обнаруживаем, что все больше систем может быть описано квантовомеханическими методами. И я не думаю, что существует четкая граница между квантовым и классическим подходами” – говорит он. Обращение к системам, имеющим размеры в масштабах Вселенной, также предоставило критикам Копенгагенской интерпретации дополнительные аргументы. Если процесс измерения фундаментален для формирования реальности, которую мы наблюдаем, тогда что выполнило измерения, которые привели содержание Вселенной к бытию? ”Что бы все это имело смысл, мы должны были бы иметь наблюдателя, находящегося вне системы, но вне Вселенной ничего нет, по определению” – говорит Браун. Именно поэтому, говорит он, космологи более склонны к интерпретации, созданной в конце пятидесятых годов физиком Хью Эвереттом, Princeton University. Его многомировая интерпретация квантовой механики говорит, что реальность совершенно не обязана быть привязанной к процессу измерения. Эта интерпретация утверждает, что все вероятные конфигурации квантовой системы реализуются каждая в своей собственной Вселенной. Дэвид Дойч, University of Oxford, физик и создатель проекта первого квантового компьютера, говорит, что теперь он может мыслить об операциях компьютера только в терминах этих множественных вселенных. Для него имеет смысл только эта интерпретация.

Однако и интерпретация Эверетта подвергается критике. Тим Модлин, Rutgers University in New Jersey, приветствует попытку Эверетта лишить процесс измерения статуса процесса, определяющего реальность. Но в тоже самое время он не убежден, что многомировая концепция удовлетворительно отвечает на вопрос, почему некоторые квантовые состояния более вероятны, чем другие. Если квантовая теория говорит, что некий результат измерений в 10 раз более вероятен, чем другие результаты, многократно проведенные измерения неизбежно подтверждают это утверждение. Согласно Модлину, множество миров показывают, что все возможные результаты измерений в итоге будут наблюдаться, но эта концепция не объясняет, почему наблюдатель чаще всего видит именно наиболее вероятный результат. Он утверждает, что именно этот момент является довольно сложной проблемой, связанной с этой интерпретацией.

Дойч утверждает, что эта проблема была разрешена примерно в прошлом году. “Путь, по которому шел Эверетт, говоря о вероятностях, был далеко как не совершенным, но за эти годы теоретики несколько пересмотрели многомировую интерпретацию и продвинулись гораздо дальше. Эта проблема решена” – говорит он.

Ответ на это возражение Дэвида  Дойча, да и на другие вопросы, затронутые в этой статье, был дан в 2000 году российским ученым, физиком и математиком М.Б. Менским, предложившим новую Расширенную интерпретацию Эверетта  – прим. переводчика.

Нужно признать, что это возражение Дойча является весьма убедительным и ответить на него довольно сложно. Очевидное обобщение многомировой картины мира, это понимание того, что существуют многократные копии Вас и что Элвис еще выступает в Лас-Вегасе в какой-то другой Вселенной. Найдется очень мало людей, которые могут принять и поверить в эту идею. Браун рассчитывает, что единственным выходом из этой проблемы будет привыкание к ней. “Существует широкое неприятие и нежелание поверить в большое разнообразие непосредственно Вас и других людей” – говорит он – “Но это вопрос только привыкания.” Дойч рассчитывает, что это случится, когда технологии начнут использовать и более странные стороны квантовой картины. Как только заработают квантовые компьютеры, выполняющие одни и те же вычисления находясь в разных государствах, мы начнем воспринимать эти миры, как физическую реальность. “Будет очень трудно утверждать, что это просто такая манера общения” – говорит Дойч.

Он и Браун утверждают, что многомировая интерпретация уже получает поддержку среди космологов. Аргументы в ее пользу начинают поступать из теории струн, космологии, наблюдательной астрономии. Эти факты вынудили некоторых космологов утверждать, что мы живем в одной из многих Вселенных. В прошлом году Энтони Агюрр, University of California, Santa Cruz, Макс Тегмарк, Massachusetts Institute of Technology, и Дэвид Лэйзера, Harvard University, выдвинули модель, которая связывает воедино космологию и многомировую концепцию Эверетта (New Scientist, 28 August 2010, p 6).

Но многомировая интерпретация является не единственной квантовомеханической интерпретацией, привлекающей внимание космологов. В 2008 году Энтони Валентини, Imperial College, London, предположил, что реликтовое микроволновое излучение, заполнившее все пространство после Большого Взрыва, могло бы вполне послужить в качестве подтверждения интерпретации де Бройля – Бома, в которой квантовые частицы обладают пока еще неизвестными нам, скрытыми свойствами. Принятие этой интерпретации позволило бы объяснить такое странное поведение квантового мира, оставляющее свой отпечаток на подробных картах реликтового излучения. Валентини утверждает, что наличие скрытых переменных лучше бы объяснило наблюдаемые эффекты, чем стандартная квантовая механика. Хотя эта идея, по своей сути является неплохой, но на настоящее время просто не существует однозначных доказательств ее справедливости. К тому же, если даже в распределении фонового излучения и будут в будущем обнаружены какие – либо аномалии, то и они не смогут однозначно свидетельствовать в пользу гипотезы Валентини. Ведрал утверждает, что любая из квантовомеханических интерпретаций может привести к весьма неожиданным результатам, если речь пойдет о состоянии ранней Вселенной. ”Мы застряли в ситуации, когда мы просто не сможем экспериментально сделать выбор между Эвереттом и де Бройлем – Бомом”, признает Браун. Но при этом он добавляет, что это не есть причина для пессимизма. “Я думаю, что эти интерпретации были существенным прогрессом. Множество людей утверждает, что вследствие нехватки эксперимента, мы не сможем выбрать какую–либо интерпретацию, но определенно можно говорить, что некоторые интерпретации все-таки намного ближе к действительности”.

Пока Браун, Дойч и Зейлингер отказываются оставить их любимые квантовомеханические интерпретации. Зейлингер счастлив, что квантовая теория не дает никаких оснований, для объявления ее неправильной. Ведрал полностью соглашается с этим утверждением. Хоть он и относит себя к “клубу многих миров”, он говорит, что выбор интерпретации, которой вы хотите придерживаться, на самом деле, является делом вкуса. “В большинстве случаев Вы никогда не сможете экспериментально различить интерпретации, а посему должны только следовать за своими инстинктами”.

Мысль о том, что физики блуждают вокруг квантового зоопарка, выбирая из него любимую игрушку, кажется не вполне научной, но пока это не принесло науке никакого вреда. Квантовая теория преобразовала мир, дав ему, например, транзистор и лазер, а на самом деле не только их. Наличие большого количества различных интерпретаций стимулирует генерацию новых физических идей и заставляет по-разному смотреть на эксперимент. Будущее покажет, какие преставления о квантовой природе приведут нас к новой области в физике. “И это было бы действительно захватывающе” – говорит Ведрал.