Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания - Элисон Джордж

Теоретик Часлав Брукнер и его коллеги из Венского университета задались целью ответить на вопрос: подчиняются ли в теории квантовые системы тем же причинным законам, что и все мы? Они начали с классической ситуации, в которой два независимых наблюдателя, Алиса и Боб, проводят измерения фотона. Брукнер и его группа уточнили, что квантовая неопределенность – это принцип, фундаментально ограничивающий количество информации, которую вы можете извлечь из квантовой системы, включая информацию о времени.

Брукнер описывает обнаруженный ими сценарий на следующем примере: Алиса входит в комнату и обнаруживает послание, написанное Бобом. Она его стирает и пишет ответ, затем в комнату заходит Боб, чтобы написать исходное сообщение, на которое только что ответила Алиса. Подобно тому, как квантовая частица может находиться в двух или более местах одновременно, эта частица также может существовать сразу в двух моментах времени. Система может быть одновременно в состояниях «Алиса вошла в комнату до Боба» и «Боб вошел в комнату до Алисы». И мы не можем сказать, опережает ли измерение Алисы измерение Боба или наоборот. Но проверить результаты этих теоретических предположений на практике будет непросто. Учитывая хрупкую природу квантовых состояний, любая попытка измерить квантово-механическую суперпозицию причинно-следственных порядков нарушит ее, приводя к коллапсу в конкретном причинно-следственном порядке.

Вывод напрашивается сам собой: причинно-следственный порядок не является фундаментальным свойством природы. Причинность восстанавливается, только когда параметры эксперимента корректируются так, чтобы заставить частицы вести себя как знакомые нам классические частицы. Если мы принимаем квантовую теорию как самое фундаментальное описание реальности из всех, что у нас есть, это будет означать, что само пространство-время не является фундаментальным и появляется из более глубокой, в настоящее время непостижимой квантовой реальности.

Но может квантовая теория быть проблемой сама по себе? Несмотря на все ее успехи, возможно, вся эта случайность, неопределенность и жуткое действие на расстоянии просто связаны с тем, что квантовая механика неполна. Она, по крайней мере в своей нынешней формулировке, может просто не обладать всей информацией, которая объяснила бы нам, почему все именно так, как оно есть. Можно провести аналогию с законами термодинамики. Они обеспечивают нас абсолютно надежным высокоуровневым описанием того, как все работает – например, что тепло всегда идет от горячего к холодному. Но при этом законы термодинамики ничего не говорят о лежащей в основе этих процессов динамике отдельных атомов, приводящей их в действие.

Для изучения этой вероятности исследователи решили проверить, что бы случилось в классических опытах типа «наблюдатели Алиса и Боб», если бы исходная теория дополнительно давала произвольное количество информации о корреляции между двумя запутанными частицами. Стали бы результаты измерений менее случайными и непредсказуемыми?

Короткий ответ – нет. В любой ситуации, когда и Алиса, и Боб могут независимо выбирать тип измерений частицы, дополнительная информация не помогает сделать их прогнозы насчет результатов проводимых экспериментов хоть сколько-то более точными, чем если бы они использовали квантовую теорию. Таинственная непредсказуемость никак не связана с неполной информацией.

В глубине души Вселенная – спонтанная структура. На фундаментальном уровне нет причин, которые могли бы объяснить, почему квантовая частица обладает именно такими свойствами: нет скрытого влияния, жесткой причинно-следственной связи или какой-то недостающей информации. Вещи такие, какие они есть. И других объяснений нет (см. рис. 7.4).

Рис. 7.4. Странные корреляции между квантовыми объектами, как бы далеко они друг от друга ни находились, могут быть объяснены только отказом от одного из фундаментальных допущений.

Некоторых людей настолько удручает такая ситуация, что это заставляет их усомниться даже в более фундаментальном предположении о реальности и нашей связи с ней. Оно заключается в небольшом утверждении, на котором строится большинство исследований квантовой реальности и квантовых измерений. Чтобы измерить значение некоторого квантового явления, сперва вы должны выбрать что-то, относительно чего вы будете измерять, – лабораторию, ветер или муху на потолке. Ваш выбор повлияет на результат измерения. А что если это не ваш выбор? Что если это кто-то другой тянет вашу руку, заставляя проводить эксперименты таким образом, чтобы корреляции всегда появлялись?

Это переносит нас в область свободной воли человека – скользкое пространство, где философов куда больше, чем физиков. Прозвучит несколько странно, однако некоторые серьезные ученые-физики считают, что отсутствие свободной воли – то есть участие в неком космическом кукольном представлении, – возможно, лучший способ уберечь нас от всех возможных неприятностей вроде таинственности, потери относительности и причинности, которые вызывают квантовые корреляции.

Проблема в том, что природу не интересует, чего бы и как нам хотелось. Проще говоря, не могут быть правильными абсолютно все наши концепции реальности, относительности, причинности, свободной воли, пространства и времени. Но какие именно неверны?

Разработка твердой теоретической основы для квантовой теории не давалась ученым на протяжении более сотни лет. Но шесть основных принципов могут стать фундаментом, который поможет найти в ней смысл – и привести к теории всего.

Мы привыкли к Вселенной, поражающей наше воображение, – возможно, даже слишком привыкли. Поэтому возникает соблазн опустить руки и сказать, что человеческий мозг никогда не сможет ее постичь. Изящные уравнения квантовой теории как-никак были разработаны не для того, чтобы содержать в себе некий универсальный вселенский принцип, а с конкретной целью «объяснения» таинственных результатов опытов. Квантовые объекты описываются волновыми функциями, которые могут соответствовать, а могут и не соответствовать чему-то физическому, существующими в абстрактной многомерной области, называемой гильбертовым пространством. Более того, они эволюционируют по непонятным правилам, заложенным в уравнении Шрёдингера. В 1925 году Эрвин Шрёдингер пришел к такой формулировке случайно, изучая уравнения классической оптики, которые имеют дело с волнами, а не частицами. Оно работает хорошо, но вот не вполне ясно почему.

Похоже, что фундамент, на котором основывается квантовая механика, состоит из информации. Множество теоретиков приходят к выводу, что все физические взаимодействия могут быть описаны как форма обработки информации. Например, атомы несут информацию в своих импульсах: когда атомы сталкиваются, как два шара на бильярдном столе, их импульсы меняются подобно тому, как меняются двоичные цифры, когда проходят через логические элементы компьютера. Правила, регламентирующие работу с информацией, могут в конечном счете определить, что происходит, а что не происходит в нашей Вселенной (см. ниже в блоке «Пятеричный путь»).