Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - читать онлайн книгу. Автор: Йен Стюарт cтр.№ 97

Некоторые идут еще дальше, утверждая, что в наблюдатели годится только человек (или по крайней мере разумное существо) — да, с этим у кошачьих не очень. Некоторые предполагают, что Вселенная потому и породила нас, что мы можем играть роль наблюдателей, заставляя волновые функции схлопываться и порождая таким образом Вселенную. Мы здесь, потому что мы здесь.

* * *

Эта замечательная причинно-следственная цепочка поднимает важность рода человеческого на недосягаемую высоту, но игнорирует ту особенность, из-за которой Бор не принял теорию Эверетта: в многомировой интерпретации волновая функция Вселенной не коллапсирует. Она откровенно противоречит принципу Коперника и отдает гордыней. Кроме того, она упускает из виду один момент: загадка Шрёдингерова кота относится к наблюдениям, а не к наблюдателям. И дело там не в том, то происходит в момент наблюдения. Дело в том, что такое наблюдение в принципе.

Математический аппарат квантовой механики включает два аспекта. Один из них — уравнение Шрёдингера, которое используется для моделирования квантовых состояний и имеет хорошо известные и вполне определенные математические характеристики. Второй аспект — то, как мы представляем наблюдение. Теоретически, это математическая функция. Вы вводите в эту функцию некую квантовую систему и получаете на выходе ее состояние — результат наблюдения. Так вы вводите число 2 в функцию логарифма и получаете log 2. Это все очень понятно и замечательно, но на самом-то деле состояние системы взаимодействует с состоянием измерительного прибора, который представляет собой куда более сложную квантовую систему. Это взаимодействие слишком сложно, чтобы его можно было исследовать математически сколько-нибудь подробно, поэтому считается, что оно сводится к одной-единственной аккуратной функции. Нет, однако, никаких причин полагать, что в реальности дело обстоит именно так, и множество причин подозревать, что все на самом деле совсем не так.

Мы имеем дело с несоответствием между точным, но своенравным квантовым представлением измерительного процесса и ситуативным дополнением — гипотетической функцией. Неудивительно, что в результате возникают странные и конфликтующие между собой интерпретации. Аналогичные вопросы вылезают всюду в квантовой теории и в основном остаются незамеченными. Все внимание обращено на уравнения и методы их решения; никто не думает о «граничных условиях», которые представляют задействованную аппаратуру или наблюдения.

Хорошая иллюстрация — ящик, в котором можно незаметно взорвать ядерную бомбу. Еще один пример — полупрозрачное зеркало, отражающее часть света, а остальное пропускающее насквозь. Квантовые экспериментаторы любят это устройство потому, что оно действует как светоделитель: берет поток фотонов и направляет их случайным образом по двум разным направлениям. Сделав с одним из лучей все, что нужно, экспериментатор вновь соединяет оба луча, чтобы сравнить результат. В квантово-механических уравнениях полупрозрачное зеркало — идеальный объект, не оказывающий никакого действия на фотоны, а только направляющий их в разные стороны с 50 %-ной вероятностью. Это как барьер на пути бильярдного шара, который то появляется, и тогда шар идеально упруго отражается от него, то исчезает, и тогда шар свободно пролетает насквозь.

Однако реальное полупрозрачное зеркало — это громадная квантовая система, состоящая из атомов серебра, разбросанных по стеклянному листу. Когда фотон попадает на такое зеркало, он либо отскакивает от элементарной частицы в составе атома серебра, либо проникает глубже. Отскочить он может в любом направлении, под любым углом. Слой атомов серебра тонок, но толще, чем в один атом, так что фотон может столкнуться с атомом серебра глубже, не говоря уже об очень путаной атомной структуре стекла. Чудесным образом после всех взаимодействий фотон либо отражается, либо проходит насквозь неизмененным. (Есть и другие возможности, но встречаются они так редко, что мы можем не обращать на них внимания.) Так что реальность отличается от гипотетической ситуации с бильярдным шаром. Скорее можно представить себе, что автомобиль-фотон въезжает в город с севера и взаимодействует по пути с тысячами других машин, после чего чудесным образом выезжает из города либо на юг, либо на восток, выбирая направление случайно. В чистой идеальной модели эта сложная система взаимодействий игнорируется, и остается только нечеткий фотон и четкое, хотя и случайно отражающее, зеркало.

Да, я знаю, что это модель, и она, судя по всему, работает. Но нельзя вводить подобную идеализацию и при этом утверждать, что используется только уравнение Шрёдингера.

* * *

В последнее время физики рассматривают квантовые наблюдения с по-настоящему квантово-механической точки зрения, вместо того чтобы постулировать нереалистичные ограничения классического типа. То, что они обнаружили, представляет все дело в куда более разумном свете.

Во-первых, нельзя не признать, что суперпозиции состояний, как в ситуации с котом, создаются в лабораториях для все более крупных квантовых систем. Среди примеров, более или менее по возрастанию, можно назвать протон, ион бериллия, молекулу бакминстер-фуллерена (60 атомов углерода, организованные в кристаллическую решетку в форме усеченного икосаэдра), и электрический ток (в котором задействованы миллиарды электронов) в сверхпроводящем устройстве квантовой интерференции SQUID. Пьезоэлектрический камертон, состоящий из триллионов атомов, удалось поместить в суперпозицию вибрирующего и невибрирующего состояний. Это еще не коты, но достижения замечательные и контринтуитивные. Подбираясь к живым существам, Ориол Ромеро-Исарт с коллегами предложили в 2009 году создать Шрёдингеров вирус гриппа. Поместите вирус в вакуум, охладите до квантового состояния с минимальной энергией, а затем воздействуйте на него лазером. Вирус гриппа достаточно жизнестоек, чтобы выдержать такое обращение, а в результате он, по идее, должен оказаться в суперпозиции исходного состояния и возбужденного, то есть более высокоэнергетического, состояния.

Этот эксперимент пока не проведен, но даже если кому-то удастся реализовать его, вирус — это не кот. Квантовые состояния крупномасштабных объектов отличаются от квантовых состояний мелкомасштабных объектов, таких как электроны и SQUID, поскольку суперпозиции состояний крупных систем намного более хрупки. Можно поместить электрон в комбинацию состояний с вращением по часовой стрелке и против и держать его там почти неограниченное время, изолировав от окружающего мира. Если попробовать проделать то же с котом, суперпозиция декогерирует: ее тонкая математическая структура быстро распадется. Чем сложнее система, тем быстрее она декогерирует. Суть в том, что даже в квантовой модели кот ведет себя как классический объект, если только вы не смотрите на него невообразимо короткое время. Участь Шрёдингерова кота не более загадочна, чем рождественский подарок от тети Веры: развернешь — узнаешь. Да, конечно, она всегда присылает либо носки, либо шарф, но это не значит, что на этот раз ее подарок представляет собой суперпозицию того и другого.

Препарирование квантовой волновой функции Вселенной в суперпозицию человеческих историй — Гитлер победил или не победил — это полная чепуха. Квантовые состояния не рассказывают человеческих историй. Если бы можно было взглянуть на квантовую волновую функцию Вселенной, то мы не нашли бы в ней никакого Гитлера. Даже частицы, из которых он состоял, все время менялись бы по мере того, как у него выпадали бы волосы, а на пиджак садилась пыль. Точно так же по волновой функции кота невозможно сказать, жив он, мертв или только что превратился в кактус.