Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

Однако у ансамблевой интерпретации есть одна серьезная проблема. Она явным образом утверждает, что волновая функция не применима к отдельным квантовым объектам и что никакой суперпозиции состояний не существует. Но экспериментаторы сегодня спокойно, в рабочем порядке манипулируют отдельными квантовыми объектами, например электронами, в ситуациях (таких как квантовые вычисления), где они, кажется, следуют описанию волновой функции, а кольцо SQUID вроде бы способно демонстрировать единичный макроскопический квантовый объект (электронная волна бежит по нему одновременно в обоих направлениях), находящийся в суперпозиции.

Прежде я думал, что это смертельный удар для идеи ансамблевой интерпретации, но Ли Смолин оживил ее в новом воплощении.

Новая версия ансамблевой интерпретации (АИ) включает концепцию нелокальности, которая, как уже экспериментально показано, является ключевым свойством Вселенной. Эйнштейна, вероятно, не обрадовали бы такие метаморфозы интерпретации, которую он поддерживал. Но Смолину они так нравятся, что он, ничуть не смущаясь, величает свою версию настоящей ансамблевой интерпретацией (НАИ). Ключевое отличие состоит в том, что если в традиционной АИ члены ансамбля не могут существовать все одновременно, то в версии Смолина они одновременно реальны. Чтобы сказать это короче и по существу, нам следует добавить одно жаргонное словечко, которым пользуются физики. Возможные квантовые компоненты ансамбля (скажем, атомы водорода) они называют «биэйблы» (от be able – мочь, иметь возможность), потому что это объекты, которые могли бы в принципе существовать. Но, как в случае с выбрасыванием одной игральной кости 600 раз вместо броска 600 костей сразу, все они не обязаны существовать одновременно. Концепция, которую из уважения к Смолину я буду называть НАИ, гласит: все биэйблы, составляющие ансамбль, на самом деле существуют в природе одновременно, как 600 игральных костей, которые бросают вместе, а не как одна кость, которую бросают 600 раз подряд. Любую квантовую систему в любой отдельно взятый момент времени характеризует вполне конкретное состояние дел, определяемое значениями биэйблов.

Смолин начинает с разумного принципа, согласно которому все, что, как предполагается, влияет на поведение реальной системы во Вселенной, само по себе тоже должно быть реальной системой во Вселенной. Неприемлемо, говорит он, «воображать, что существует какой-то жуткий способ, посредством которого “потенциальности влияют на реальности”». В интерпретации с волной-пилотом, к примеру, волна представляет собой реальное свойство Вселенной, этакий биэйбл, а не какую-то жуткую «волну вероятности». Но эта интерпретация вступает в конфликт с другим постулатом, который выдвинул Смолин: нигде в природе не должно существовать «безответного действия». По сути, это расширение третьего закона Ньютона, согласно которому в классических системах действие и противодействие равны по величине и противоположны по направлению. А вот в интерпретации с волной-пилотом волна влияет на частицу, но частица не влияет на волну – не противодействует. В то же время в ансамбле, каким его рисует Смолин, составляющие ансамбль биэйблы взаимно влияют друг на друга, порождая то поведение, которое мы видим в таких экспериментах, как эксперимент с двумя отверстиями. И если все компоненты ансамбля реальны, тогда нет никаких причин, по которым не может быть новых (в смысле не обнаруженных прежде) взаимодействий между ними.

Смолин приводит пример с атомами водорода в их минимальном энергетическом состоянии, которое называется основным состоянием. Существует ансамбль всех таких атомов водорода во Вселенной – настоящий ансамбль из настоящих биэйблов. Его компоненты взаимодействуют между собой нелокальным способом, посредством которого биэйблы копируют состояния друг друга в соответствии с правилами вероятности, связанными с этими квантовыми состояниями. Вероятности копирования не зависят от того, где именно в пространстве находятся компоненты, но зависят от способа, которым биэйблы распределяются в ансамбле. Квантовая статистика позволяет составить список позиций, в которых будут обнаружены атомы водорода в основном состоянии, но не позволяет сказать, какой атом водорода в какой локации находится. Смолин сумел показать математически, что на основании нескольких простых правил о том, как пары биэйблов влияют друг на друга, этот процесс позволяет получить все наблюдаемое поведение квантовых систем. А также объяснить, почему такие объекты, как коты и люди, не могут находиться в суперпозиции.

Ли Смолин

Nir Bareket

Квантовая механика, говорит Смолин, применима к небольшим подсистемам Вселенной, существующим во множестве экземпляров, как атомы водорода в основном состоянии. Но макроскопические системы, такие как коты и люди, не имеют нигде во Вселенной копий, и на них не влияет процесс копирования, который проходит с участием взаимодействующих квантовых биэйблов. В этом смысле им просто не с чем взаимодействовать.

Из этого следует несколько интересных выводов. Во-первых, Вселенная должна быть конечной. В бесконечной вселенной существовало бы бесчисленное множество ваших копий, так что взаимодействия, описываемые уравнениями Смолина, влияли бы на вас и вы вели бы себя как квантовая частица! Во-вторых, Смолин выводит из простых математических правил не только волновое уравнение Шрёдингера, но и законы классической механики – законы Ньютона и т.п. – как приближенный вариант квантовой механики.

Однако Смолин подозревает, что сама квантовая механика есть приближенная версия какого-то более глубокого описания Вселенной (это и побудило его глубоко погрузиться в эти мутные воды), и заходит так далеко, что утверждает: если это так, то обмен сигналами со сверхсветовой скоростью вполне может оказаться возможным. О том, что мы пока не пришли к окончательному варианту теории, свидетельствует один момент. Возможно, вы уже заметили, что взаимодействие биэйблов подразумевает существование уникального космического времени (чтобы эти взаимодействия могли происходить одновременно), а это требует расширения теории относительности[21]. «Квантовая физика, – говорит Смолин, – должна быть приближенным вариантом некой космологической теории, которая формулируется на другом языке».

Искать эти фундаментальные законы, возможно, следует в экспериментах с участием систем, существующих во Вселенной в небольшом числе копий, то есть на границе между микроскопическим и макроскопическим мирами. Не исключено, что эксперименты с квантовыми компьютерами позволили бы нам понять, имеются ли где-то во Вселенной их копии. Могут обнаружиться реальные наблюдаемые эффекты, порождаемые коррекциями квантовой физики, которые зависят от размера ансамбля.

Все это звучит диковато, но Смолин может нам кое о чем напомнить. Были времена, когда людям трудно было поверить, что Солнце влияет на динамическое поведение планет, потому что это подразумевает непонятное действие на расстоянии. Как я уже упоминал, даже Ньютон не пытался объяснить, как все это работает, ограничиваясь знаменитым ответом Hypotheses non fingo – «гипотез не измышляю». Настоящая ансамблевая интерпретация (НАИ) предусматривает «новый» тип нелокального взаимодействия между биэйблами, но это не должно беспокоить нас больше, чем тот факт, что всего сто с небольшим лет назад взаимодействие между Солнцем и Землей описывалось неким «новым» типом взаимодействия, а теперь описывается общей теорией относительности. Нефизику нелокальность кажется жутковатой из-за своей непривычности, но для растущего числа физиков она стала таким же общепринятым фактом, как гравитация. В конце концов, это не так уж трудно переварить до завтрака. Взаимодействия, которым нипочем пространство, – установленное свойство окружающего мира. А что можно сказать о взаимодействиях, которым нипочем время? Сможем ли мы найти утешение здесь?