Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Не знаю, удивил ли вас такой результат. Надеюсь, я достаточно понятно и убедительно рассказал о сути волновых функций, для того чтобы феномен запутанности не показался вам чем-то выдающимся. Так и должно быть; это неотъемлемая часть инструментария квантовой механики, и множество хитроумных экспериментов подтвердили его достоверность в реальном мире. Тем не менее запутанность может привести к следствиям, которые — если воспринимать их буквально — кажутся несовместимыми как минимум с духом теории относительности, если не с буквой закона. Подчеркну еще раз: между квантовой механикой и специальной теорией относительности (общая теория относительности, где в игру вступает гравитация, — это совсем другая история) нет никаких явных несоответствий. Однако некое напряжение между ними существует, и это заставляет людей нервничать. В частности, создается впечатление, что некоторые события происходят со скоростью быстрее скорости света. Но если копнуть поглубже и попытаться понять, что же это за «события» и что означает «происходят», то окажется, что в действительности ничего плохого не происходит: ничто не движется быстрее света, и никакая конкретная информация не передается за пределами чьего-либо светового конуса. И все же это вызывает какое-то подспудное раздражение.

Вернемся снова к нашей паре, кошке с собакой, и представим, что они пребывают в описанном выше квантовом состоянии, то есть суперпозиции (стол, гостиная) и (диван, сад). Но на этот раз вообразим, что если Дог оказывается в саду, он не остается просто сидеть там, а куда-то убегает. Кроме того, он любит приключения и живет в будущем, где полеты на ракете и космическая колония на Марсе — обычное дело. Дог — в том варианте, где его путь начинается в саду, а не в гостиной, — убегает в космопорт, прячется на космическом корабле и летит на Марс, и абсолютно никто его все это время не замечает. Лишь когда он вылезает из корабля и прыгает на руки своему старому другу Билли, который после окончания университета вступил в Космический корпус и отправился с миссией на Красную планету, состояние Дога фактически кто-то наблюдает, коллапсируя, таким образом, волновую функцию.

Другими словами, мы представляем, что волновая функция, описывающая систему кошка/собака, непрерывно эволюционировала согласно уравнению Шрёдингера из:

в

Ничего невозможного в этом нет — возможно, звучит это слегка неправдоподобно, но если никто не выполнял наблюдений в течение всего периода эволюции, то в результате мы получаем волновую функцию именно в такой суперпозиции.

Однако следствия такой ситуации весьма удивительны. Когда ничего не подозревающий Билли видит Дога, выпрыгивающего из космического корабля на Марсе, он выполняет измерение и коллапсирует волновую функцию. Если он заранее знает, как выглядит волновая функция — то самое запутанное состояние, описывающее местоположения и кошки и собаки, то он немедленно понимает, что Китти находится на диване, а не под столом. Волновая функция сколлапсировала до возможности (диван, Марс). Мы не только узнаем состояние Китти, никак не взаимодействуя с ней, — мы узнаем его моментально, несмотря на то что даже при движении со скоростью света путешествие с Марса на Землю занимает по меньшей мере несколько минут.

Это свойство запутанности — тот факт, что состояние Вселенной, как его описывает квантовая волновая функция, «моментально» меняется в пространстве, хотя специальная теория относительности учит нас, что не существует уникального определения того, что означает «моментально», — выводит из себя множество людей. Определенно, это раздражало Альберта Эйнштейна, который в 1935 году объединился с Борисом Подольским и Натаном Розеном, для того чтобы написать статью и акцентировать внимание на этой странной ситуации, известной сегодня под названием «ЭПР-парадокса».[209] Однако в действительности это вовсе не «парадокс»; он может бросать вызов нашему интуитивному пониманию реальности, но не экспериментальным или теоретическим требованиям.

Важное свойство мгновенного коллапса волновой функции, рассредоточенной на огромные расстояния, заключается в том, что это явление невозможно использовать для передачи какой-либо информации со скоростью, превышающей скорость света. Нам не дает покоя то, что до того, как Билли увидел собаку, Китти здесь, на Земле, не занимала какое-то определенное положение: с вероятностью 50 % мы могли увидеть ее или на диване, а с вероятностью 50% — под столом. Однако как только Билли увидел Дога, мы со 100-процентной вероятностью наблюдаем кошку на диване. Ну и что? На самом деле мы не знаем, выполнил ли Билли наблюдение; насколько нам известно, если мы поищем Дога, то имеем шанс обнаружить его в гостиной. Для того чтобы внезапное открытие Билли что-то изменило в нашей картине мира, ему пришлось бы прийти и рассказать нам эту историю или хотя бы отправить радиограмму. Так или иначе, он должен связаться с нами с помощью традиционных инструментов, работающих медленнее скорости света.

Запутанность двух находящихся на большом расстоянии друг от друга подсистем кажется нам чем-то непостижимым, потому что она нарушает наше интуитивное понимание «локальности»: объекты должны быть в состоянии влиять напрямую лишь на близлежащие объекты, но не на те, которые находятся на произвольно большом расстоянии. Волновые функции работают не так; существует одна волновая функция, описывающая всю Вселенную разом, и на этом история заканчивается. Наблюдаемый нами мир тем временем все так же соблюдает определенный тип локальности: даже если волновая функция моментально коллапсирует во всем пространстве, мы не в состоянии воспользоваться этим свойством для того, чтобы отправить сигналы со скоростью, превышающей скорость света. Другими словами, вещи, с которыми вы сталкиваетесь в своей жизни и которые влияют на вашу жизнь, по-прежнему должны находиться прямо рядом с вами, а не где-то далеко.

С другой стороны, не следует ожидать, что даже такое слабое определение локальности может считаться подлинно священным принципом. В следующей главе мы немного поговорим о квантовой гравитации, когда волновая функция применяется к разным конфигурациям самого пространства—времени. В этом контексте идея вроде «объекты могут воздействовать друг на друга, только если они находятся поблизости» вообще перестает нести какой-либо смысл. Пространство—время перестает быть абсолютным, оно может находиться в разных конфигурациях, с каждой из которых связана своя амплитуда, поэтому само понятие «расстояния между объектами» слегка размывается. Нам еще только предстоит полностью осознать подобные идеи, но в окончательной теории всего на свете нелокальность, скорее всего, будет играть грандиозную роль.

Главный соперник копенгагенского представления квантовой механики — так называемая многомировая интерпретация. «Множественные миры» — пугающее и вводящее в заблуждение название идеи, которая сама по себе довольно проста. Она заключается в том, что такого явления, как «коллапс волновой функции», не существует. Эволюция состояний в квантовой механике работает точно так же, как в классической механике; она подчиняется детерминистическому правилу — уравнению Шрёдингера, позволяющему предсказывать будущее и прошлое любого конкретного состояния с идеальной точностью. Вот и все.