Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

становится запутанной со сложным состоянием этой среды. Средой может быть что угодно – от фоточувствительного экрана до электронного устройства и даже до окружающих систему молекул воздуха. Если связь с этой внешней «средой» оказывается достаточно прочной, изначальная деликатная суперпозиция очень быстро теряется. На самом деле декогеренция представляет собой один из самых быстрых и эффективных процессов во всей физике. Именно эта выдающаяся эффективность и стала причиной, по которой декогеренция так долго не была открыта. Только сегодня физики понимают, как ее можно контролировать и изучать. В Главе 10 я опишу несколько проведенных в последние годы примечательных экспериментов, в которых мы действительно можем увидеть декогеренцию в действии.

Строго говоря, физики утверждают, что волновая функция среды теряет все остатки изначальных корреляций между двумя своими запутанными частями. Пожалуй, ярче это можно описать следующим образом: как только квантовая суперпозиция становится запутанной с внешним миром, вся странность пропадает так быстро, что мы не успеваем засечь ее с поличным.

Процесс декогеренции по-прежнему активно изучается и еще не до конца понят. Но мы хотя бы можем начать распутывать первую часть проблемы измерения. Мы никогда не видим кота Шрёдингера живым и мертвым одновременно, потому что декогеренция в коробке происходит задолго до того, как мы ее откроем. Здесь дело даже не в коте – все случается гораздо раньше из-за наличия устройства, в котором заключены радиоактивное ядро и яд. Именно это и формирует макроскопическую среду, непосредственно окружающую радиоактивное ядро.

Мы можем применить идею декогеренции и к другому примеру – той ситуации, когда детектор регистрирует, по какому из ответвлений интерферометра или сквозь какую из прорезей прошел атом. Здесь все объясняется проще. Чтобы получить информацию о положении атома, детектор должен установить связь с волновой функцией атома, и их запутанность быстро приводит к декогеренции. Обратите внимание, я написал «с волновой функцией атома», а не «с атомом», так как, если детектор не обнаружит атом, это будет означать, что тот пошел другим путем. Кроме того, это «измерение» уничтожит картину интерференции. Так что, хотя детектору и атому нет нужды вступать в физическое взаимодействие в классическом смысле, но с волновой функцией он все же оказывается в запутанном состоянии.

Без детектора, установленного за одной из двух прорезей, декогеренцию провоцирует второй экран. Однако в этом случае остановить появление картины интерференции уже невозможно – две части волновой функции атома слишком долго оставались одни, чтобы между ними возникла интерференция. Само собой, весь фокус с двумя прорезями нужно проводить в вакууме, ведь иначе атом будет сталкиваться с молекулами воздуха и сбиваться с пути. Это все равно что сказать, что декогеренцию в таком случае будет вызывать сам воздух. Впрочем, я чересчур небрежно подобрал слова. Используя фразы вроде «сталкиваться с молекулами», я представил это так, словно атом уже представляет собой классическую частицу с предопределенным положением. Теперь мы знаем, что до декогеренции и проведения измерения мы можем описать атом только при помощи его волновой функции.

Решает ли декогеренция проблему измерения?

Кто-то скажет нет, ведь она не помогает в решении второго вопроса, а именно каким образом после измерения выбирается один из возможных вариантов, каждый из которых представляет собой вероятный исход. Декогеренция объясняет, почему мы никогда не видим одновременно живого и мертвого кота, но не говорит, как выбирается одна из двух альтернатив. Квантовая механика остается вероятностной, а эта непредсказуемость отдельных измерений никуда не пропадает.

Другие физики полагают, что декогеренция вообще не особенно проясняет проблему измерений, даже на уровне избавления от суперпозиций. Они утверждают, что суперпозиции просто оказываются похороненными в сложности запутанной волновой функции квантовой системы и макроскопического измерительного устройства, однако в принципе никуда не исчезают. Мы просто не можем их восстановить. Именно поэтому мы и не видим квантовую странность в действии.

Те же, кто с большим оптимизмом смотрит на объяснение проблемы измерений посредством понимания декогеренции, придерживаются несколько иного взгляда. Они говорят, что, хотя вероятностная природа квантовой механики и означает, что мы даже теоретически не можем с уверенностью сказать, обнаружим мы кота живым или мертвым, это является эквивалентом знакомой нам статистической вероятности. Проблема заключается лишь в том, что мы не знаем, какой вариант выбран, поскольку у нас в распоряжении есть только волновая функция. Но кот уже либо жив, либо мертв!

Способ, которым процесс декогеренции заставляет квантовую странность исчезнуть, можно представить в качестве SD-диаграммы под названием распределение Вигнера. Две горизонтальные оси означают положение и величину импульса, так что каждый из пиков на неровной поверхности соответствует конкретному положению и величине импульса квантовой частицы. Два широких пика обозначают два возможных положения частицы при установленном наблюдении. Очевидно, вероятность ее обнаружения справа вдвое больше вероятности ее обнаружения слева, так как правый пик вдвое выше. Колебания в центре соответствуют условиям интерференции. Они не соответствуют возможным результатам измерения, а представляют собой те самые состояния, в которых кот одновременно и жив, и мертв.

На верхней диаграмме эти колебания интерференции значительно выше, поскольку декогеренция еще не произошла. Но очень скоро (нижняя диаграмма) декогеренция заставляет их исчезнуть. В то же время два физически реализуемых варианта остаются незатронутыми.

Таким образом, установление связи с окружающей квантовую систему средой, которое неизбежно происходит, когда систему больше нельзя считать изолированной, приводит к запутанности, а следовательно, и декогеренции. Означает ли это, что случилось измерение? Если в дополнение к декогеренции выбирается один из оставшихся возможных вариантов, то да, измерение произошло. Наблюдателю нет нужды приводить волновую функцию к коллапсу, поскольку единственный исход уже ожидает, когда мы решим его проверить.

Мне кажется, что это еще не все. Я полагаю, что однажды будет объяснен даже процесс выбора, происходящий после декогеренции. Ряд физиков, включая Роджера Пенроуза, считает это возможным. Многие другие, работающие в сфере космологии и квантовой гравитации, верят, что проблема уже решена.

Итак, следующая остановка: различные интерпретации квантовой механики.

Глава 6. Великий спор

Формализм против интерпретации

Понимание многих квантовых идей, включая волновую функцию и ее странные свойства, и квантовых постулатов, которые говорят нам, как извлекать из них информацию о субатомном мире, жизненно необходимо для успеха и понимания всей квантовой теории. И все же в первой половине этой книги мы увидели, как трудно перевести сложную математику на язык слов, которые были бы понятны как физикам, так и нефизикам. Иными словами, хотя формализм квантовой механики не вызывает сомнений, никто пока не нашел такого объяснения,