Декогеренция и квантовая реальность

Когда вы впервые сталкиваетесь с вероятностным аспектом квантовой механики, естественной реакцией является мысль, что это не более экзотично, чем вероятности, которые возникают при подбрасывании монетки или вращении рулетки. Но при знакомстве с квантовой интерференцией вы осознаёте, что вероятность в квантовой механике намного более фундаментальна. В повседневных примерах различным результатам — орёл против решки, красное против чёрного, один лотерейный номер против другого — присваиваются вероятности на основании понимания, что тот или иной результат определённо произойдёт и что каждый результат является конечным продуктом независимой, определённой истории. Когда монета подбрасывается, иногда вращательное движение таково, что выходит орёл, а временами таково, что выходит решка. Вероятность 50 на 50 мы относим не просто к конечному результату — орёл или решка, — но также к истории, которая привела к каждому результату. Половина возможных способов, которыми вы можете подбросить монету, приведут к орлу, а половина — к решке. Сами события, однако, являются совершенно отдельными, изолированными альтернативами. Нет смысла интересоваться, какие различные движения монеты усиливают друг друга, а какие гасят. Все они независимы.

Но в квантовой механике иная ситуация. Альтернативные пути, по которым электрон может следовать через две щели к детектору, — это не отдельные, изолированные истории. Возможные истории смешиваются, производя наблюдаемый результат. Некоторые пути усиливают друг друга, тогда как другие уничтожают друг друга. Такая квантовая интерференция между различными возможными историями отвечает за картину светлых и тёмных полос на детекторном экране. Так что основное различие между квантовым и классическим понятиями о вероятности заключается в том, что первое подвержено интерференции, а второе — нет.

Декогеренция является широко распространённым явлением, которое наводит мост между квантовой физикой малого и классической физикой не столь уж малого через подавление квантовой интерференции — т. е. путём резкого уменьшения того, что является ключевым различием квантовой и классической вероятности. Важность декогеренции была осознана давно, ещё в ранние времена квантовой теории, но её современное возрождение отсчитывается от плодотворной статьи немецкого физика Дитера Цея в 1970 г.,^{99} и с тех пор разрабатывалось многими исследователями, включая Эрика Йоса, тоже из Германии, и Войцеха Цурека из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико.

Идея такова. Когда уравнение Шрёдингера применяется в простой ситуации, такой как прохождение отдельного изолированного фотона через экран с двумя щелями, оно приводит к известной интерференционной картине. Но этот лабораторный пример имеет две весьма специфические особенности, которые не характерны для событий реального мира. Первая состоит в том, что вещи, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, больше и сложнее, чем отдельный фотон. Вторая — в том, что вещи, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, не изолированы: они взаимодействуют с нами и с окружением. Книга, находящаяся сейчас в ваших руках, подвергается контакту с человеком и, вообще, постоянно бомбардируется фотонами и молекулами воздуха. Более того, поскольку сама книга состоит из многих молекул и атомов, эти постоянно дрожащие составляющие непрерывно сталкиваются друг с другом. То же самое справедливо для стрелок измерительных приборов, для котов, для человеческих мозгов и просто для всего, с чем вы сталкиваетесь в повседневной жизни. На астрофизических масштабах Земля, Луна, астероиды и другие планеты непрерывно бомбардируются фотонами Солнца. Даже частичка пыли, плавающая в темноте космического пространства, подвергается непрерывным толчкам низкоэнергетических микроволновых фотонов, которые начали путешествовать по пространству спустя небольшое время после Большого взрыва. Итак, чтобы понять, что квантовая механика говорит о событиях реального мира, — в противоположность рафинированным лабораторным экспериментам, — мы должны применить уравнение Шрёдингера к этим более сложным, более беспорядочным ситуациям.

По существу, это было то, на что обратил внимание Цей. Его работа и работы многих других, кто последовал за ним, открыли нечто действительно удивительное. Хотя фотоны и молекулы воздуха слишком малы, чтобы оказать существенное влияние на движение большого объекта, например книги или кота, но они в состоянии сделать кое-что другое. Они непрерывно «толкают» волновую функцию большого объекта или, говоря на языке физики, они возмущают её когерентность: они размывают упорядоченную последовательность гребней и впадин, следующих друг за другом. Это критично, поскольку упорядоченность волновой функции является центральным свойством для генерирования интерференционных эффектов (см. рис. 4.2). Подобно тому как добавление маркирующих приборов в эксперимент с двумя щелями размазывает результирующую волновую функцию и поэтому размывает интерференционные эффекты, постоянная бомбардировка объектов составными частями окружающей среды также препятствует возникновению интерференционных явлений. С другой стороны, раз квантовая интерференция более невозможна, вероятности, присущие квантовой механике, с любой практической точки зрения ведут себя подобно вероятностям, присущим подбрасываемой монете и вращающейся рулетке. Когда декогеренция, вызванная взаимодействием с окружающей средой, размывает волновую функцию, экзотическая природа квантовых вероятностей растворяется в более привычных вероятностях повседневной жизни.^{100} Это может означать решение загадки квантового измерения, которое, если действительно окажется решением, стало бы лучшим, на что мы можем надеяться. Я сначала опишу идею декогеренции в наиболее оптимистичном свете, а затем сделаю акцент на том, что ещё остаётся сделать.

Если волновая функция изолированного электрона показывает, что он имеет, скажем, 50% вероятности находиться здесь и 50% вероятности находиться там, мы должны интерпретировать эти вероятности, используя всю причудливость квантовой механики. Поскольку обе альтернативы могут проявить себя при смешивании и генерировать интерференционную картину, мы должны думать о них как о реальных в равной степени. Проще говоря, кажется, что электрон находится в обоих положениях. Что произойдёт, если мы измерим положение электрона неизолированными лабораторными инструментами обычного размера? Тогда в соответствии с неопределённостью местонахождения электрона стрелка инструмента имеет 50% вероятности указать на одно значение и 50% вероятности — на другое. Но вследствие декогеренции стрелка не будет находиться в призрачной смеси, указывая на обе величины; вследствие декогеренции мы можем интерпретироватьэти вероятности в обычном, классическом, повседневном смысле. Как монета имеет 50%-й шанс упасть орлом и 50%-й шанс упасть решкой, но падает или орлом, или решкой, так и стрелка прибора имеет 50%-й шанс указать на одну величину и 50%-й шанс указать на другую величину, но она определённо укажет на одну или на другую.

Сходные рассуждения применимы и для всех других сложных неизолированных объектов. Если квантовые расчёты показывают, что кот, сидя з закрытом ящике, имеет 50% шансов быть мёртвым и 50% шансов быть живым — поскольку имеется 50% шансов, что электрон попадёт в счётчик и запустит устройство, которое отравит кота ядовитым газом, — то декогеренция означает, что кот небудет пребывать в некотором абсурдном смешанном состоянии жизни и смерти. Хотя десятилетия жарких дебатов были посвящены обсуждению проблемы типа: что означает для кота быть одновременно мёртвым и живым? Как открытие ящика и наблюдение кота заставляют его выбирать определённое состояние — смерти или жизни? Декогеренция означает, что задолго до того, как вы откроете ящик, окружающая среда уже завершила миллиарды наблюдений кота, которые почти совсем без затрат времени заменили все мистические квантовые вероятности на их менее мистические классические двойники. Задолго до того, как вы посмотрели внутрь, окружающая среда заставила кота принять одно единственное, определённое состояние. Декогеренция заставляет многие странности квантовой механики «утечь» из больших объектов, так как эти квантовые странности кусочек за кусочком удаляются прочь бесчисленными налетающими частицами окружения.

Трудно было бы представить более удовлетворительное решение проблемы квантового измерения. Будучи более реалистичными и отказываясь от упрощающего предположения, которое игнорирует окружающую среду, — упрощения, которое было критически важным на ранних этапах развития квантовой механики, — мы бы обнаружили, что квантовая механика имеет встроенное решение проблемы измерения. Сознание человека, люди-экспериментаторы и наблюдения людьми не играли бы больше особой роли, поскольку они (мы!) были бы просто элементами окружающей среды, подобными молекулам воздуха и фотонам, которые могут взаимодействовать с данной физической системой. Также больше не было бы пропасти между эволюцией объекта и эволюцией при измерении этого объекта экспериментатором. Всё сущее — наблюдаемое и наблюдатель — существовало бы на одинаковом основании. Всё сущее — наблюдаемое и наблюдатель — подчинялось бы в точности одним и тем же квантово-механическим законам, как установлено уравнением Шрёдингера. Акт измерения больше не являлся бы чем-то специальным; он просто был бы одним из специальных примеров взаимодействия системы с окружающей средой.

Вот оно? Декогеренция разрешила проблему квантового измерения? Декогеренция ответственна за то, что волновая функция закрывает дверь всем, кроме одного потенциального исхода, к которому она может привести? Некоторые так думают. Такие исследователи, как Роберт Гриффитс из Карнеги Меллон, Роланд Омнес из Орси, нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн из института Санта-Фе и Джим Хартл из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре достигли большого прогресса и утверждают, что они развили представление о декогеренции до состояния завершённой концепции (названной декогерентными историями), которая решает проблему измерения. Другие, вроде меня, заинтригованы, но ещё полностью не убеждены. Вы видите, что сила декогеренции в том, что она успешно удаляет искусственный барьер, установленный Бором между большими и малыми физическими системами, делая всё сущее управляемым одними и теми же квантово-механическим формулами. Это большой прогресс и, я думаю, Бор нашёл бы его вызывающим удовлетворение. Хотя нерешённая проблема квантового измерения никогда не мешала физикам проводить теоретические расчёты, согласующиеся с экспериментальными данными, она привела Бора и его коллег к квантово-механической системе взглядов с некоторыми явно неуклюжими свойствами. Многие находят, что система взглядов, нуждающаяся в неясном представлении о коллапсе волновой функции или неточном понятии «больших» систем, принадлежащих классической физике, слаба. Приняв во внимание декогеренцию, исследователи в значительной степени сделали эти смутные идеи необязательными.

Однако ключевая проблема, которую я обошёл в обсуждении, заключается в том, что хотя декогеренция подавляет квантовую интерференцию и поэтому заставляет таинственные квантовые вероятности быть похожими на их привычных классических двойников, каждый потенциальный результат, включённый в волновую функцию, всё ещё соперничает за реализацию. Так что мы всё ещё остаёмся в неведении, какой результат «победит» и куда «уйдут» другие возможности, когда это реально произойдёт. Когда подбрасывается монета, классическая физика даёт ответ на аналогичный вопрос. Она говорит, что если вы исследуете способ, которым подброшена монета, вы можете, в принципе, с адекватной точностью предсказать, упадёт она орлом или решкой. Следовательно, более внимательный анализ показывает, что деталями, которые вы сначала упустили, был определён в точности один результат. В квантовой физике нельзя сказать то же самое. Декогеренция позволяет интерпретировать квантовые вероятности почти как классические, но не даёт точных деталей, которые объясняют, как из множества возможных исходов выбирается один для действительной реализации.

Почти в духе Бора некоторые физики думают, что поиски объяснений таких вещей, как причина возникновения отдельного определённого результата, неконструктивны. Эти физики утверждают, что квантовая механика, дополненная теорией декогеренции, является жёстко сформулированной теорией, предсказания которой описывают поведение лабораторных измерительных приборов. И, в соответствии с этой точкой зрения, это и есть цель науки. Попытки отыскать объяснение, что реально происходит, попытки побороться за понимание, как получился частный результат в опыте, попытки отыскать другой уровень реальности за показаниями детектора и компьютерными распечатками представляются как неоправданная интеллектуальная жадность.

Многие другие, включая меня, придерживаются другого взгляда. Объяснение данных — вот что является предметом науки. Многие физики думают, что наука должна включать в себя также и теории, которые, подтверждая экспериментальные данные, идут дальше к максимальному проникновению в природу реальности. Я сильно подозреваю, что ещё многое предстоит понять, чтобы сдвинуться в направлении полного решения проблемы измерений.

Так что, хотя многие согласны, что вызванная окружающей средой декогеренция является важнейшей частью структуры, перекидывающей мост над пропастью между квантовым и классическим, и в то время как многие надеются, что эти соображения однажды приведут к полной и убедительной связи между этими двумя областями, далеко не каждый убеждён, что мост уже полностью построен.