Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Концепция декогерентности разделяет традиционный взгляд о том, что измерение заставляет волновую функцию коллапсировать, отраженный в копенгагенской интерпретации. Измерение – это событие, вызывающее резкую декогеренцию, приближение, в котором декогеренция представляется в идеальном виде как мгновенное точное действие. Существуют и другие виды «измерений», которые не так резки, но тоже влияют на эволюцию волновой функции. Физик Джон Хартл писал: «Вероятности можно присвоить различным положениям Луны в небе или колебаниям плотности материи после Большого взрыва… вне зависимости от того, участвуют ли эти события в ситуации измерения и существует ли наблюдатель, регистрирующий их значения».[163] Иными словами, условия ранней Вселенной определяют разветвления ее будущей истории, включая появление людей как неизбежный результат взаимодействия между такими условиями и непоследовательностью, присущей квантовой физике. Согласно этой концепции, участники не влияют на прошлую историю Вселенной.

Декогерентный подход четко демонстрирует искусственность разделения между классическим наблюдателем или детектором и квантовой системой. Он показывает, что классический мир, который мы воспринимаем своими органами чувств, представляет собой следствие из свойств материи, результат взаимодействия многокомпонентных квантовых систем друг с другом и с окружающей средой. Чем больше система, тем больше волновых функций требуется для описания всех ее элементов и тем сложнее привести их в когерентные состояния, отображающие квантовую суперпозицию. Системы в квантовой суперпозиции очень хрупки и коллапсируют даже под самым минимальным внешним влиянием, будь то фотон солнечного света, космический луч или колебание гравитационного поля от проезжающего мимо грузовика. Декогеренция позволяет понять, как классический мир возникает из квантового, существующего за пределами нашего восприятия, хотя и не объясняет, где именно находится граница между классической и квантовой физикой. Джон Белл писал об этом так:

Что еще важнее, декогеренция не разрешает проблему измерения по той простой причине, что его результаты продолжают оставаться случайными, а не определяются каким-то скрытым порядком. Например, до первого измерения мы не можем предсказать, будет фотон иметь горизонтальную или вертикальную поляризацию. Несмотря на некоторые разъяснения, которые дает нам концепция декогерентности (теперь нам не нужно задумываться, жив кот Шрёдингера или нет либо куда девается Луна, пока мы на нее не смотрим), борьба с квантовым призраком нелокальности и с нашей неспособностью объяснить основы физической реальности еще не закончена. Кроме того, мы до сих пор не понимаем, какую роль в определении этой реальности играет сознание – и играет ли вообще.

Квантовая механика напрямую сталкивает нас с неизвестным и заставляет многих физиков чувствовать себя неуютно. «Неизвестное» – это приговор для науки, которая создана для того, чтобы иметь дело с непознанным и постепенно устранять его. Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты отрицали саму возможность того, что некоторые секреты Природы могут так и остаться нераскрытыми. Они признавали, что наши знания об окружающем мире ограниченны и как минимум, неполны, но считали, что это объясняется нашим собственным несовершенством, а не какими-то скрытыми глубокими мотивами. Они надеялись, что вероятностный характер квантовых систем является не фундаментальным, а оперативным. В конце концов, вероятности используются и в другой успешной теории – статистической механике, описывающей поведение газов и систем с множеством частиц, – но в этом случае она лишь отражает практическую неспособность отследить поведение каждой отдельной частицы среди триллионов точно таких же. Вместо этого мы описываем среднее общее поведение частиц и рассматриваем любые отклонения от него как статистические погрешности. Реалисты надеялись, что что-то подобное произойдет и в квантовой механике, и таким образом вероятностное поведение станет не внутренним свойством, присущим системам малого размера, а лишь продуктом нашего ограниченного понимания истинной природы микромира.

Точно такие же ожидания слышатся в словах некоторых физиков, которые заявляют, будто знают, как объяснить происхождение Вселенной с помощью квантовой механики и общей теории относительности. Разумеется, этого не знает никто, и до настоящего времени у нас имелись лишь очень упрощенные модели, основанные на множестве неподтвержденных предположений. Эти ожидания не просто беспомощно наивны, но и философски недопустимы. Ведь любую модель в физических науках поддерживают идеализированные концепции, такие как пространство, время, энергия и закон ее сохранения. Происхождение Вселенной включает в себя появление всех этих понятий. Но откуда же они взялись? Кроме того, модели формулируются с помощью так называемых граничных условий, которые предполагают четкое разделение между предметом исследования и его окружением. Очевидно, что такие границы сложно провести, если предметом исследования является вся Вселенная целиком, даже с учетом особенностей геометрии кривых.

Пытаясь объяснить происхождение Вселенной с помощью физических моделей, мы можем надеяться максимум на создание жизнеспособного описания первых мгновений космической истории в соответствии с данными, которые мы можем получить. Это масштабное и крайне волнующее предприятие, но нельзя приравнивать его к объяснению всего сущего. Для этого нам пришлось бы начать с поиска источников физических законов, в соответствии с которыми работает Вселенная, а эта тема находится вне юрисдикции современных физических теорий, включая те, которые предполагают существование Мультивселенной (где законы физики могут отличаться от наших). В части I книги мы уже обсуждали, что любые теории о различающихся законах в разных вселенных лишь дополнительно сбивают ученых с толку. Более того, если мы хотим добиться хоть какого-то прогресса в понимании квантовой природы происхождения Вселенной, нужно уточнить, какую роль в ней играет нелокальность – что возвращает нас к дискуссии о запутанности и декогерентности.

К счастью, 40 лет ярких экспериментов принесли свои плоды. Мы уже знаем, что можно исключить расширения квантовой теории, в которых используются скрытые переменные, ведь, если такие расширения и существуют, они все равно не являются локальными и, соответственно, не помогают изгнать призрак «воздействия на расстоянии», которого так боялся Эйнштейн. Нелокальность – это неотъемлемая характеристика запутанности, а запутанность – неотъемлемая часть квантовой механики. Почему она кажется нам такой странной? Потому что так и есть! Запутанность настолько хрупка и нестабильна, что ее сложно поддерживать в течение длительного времени и на больших расстояниях. Экспериментальные физики идут на разнообразные ухищрения, чтобы продлить срок ее существования. Она подвергается многочисленным воздействиям со стороны окружающей среды – термальным, вибрационным, гравитационным, даже взаимодействиям между ее собственными колеблющимися атомами. Луна не может одновременно находиться в нескольких местах на своей орбите, потому что она не является изолированной системой. На нее постоянно попадают фотоны солнечного света (поэтому-то мы можем ее видеть) и космические лучи, она состоит из мириадов атомов, подвергается влиянию гравитационных сил от Солнца, Земли, нас с вами и т. д. Все эти факторы уничтожают возможные суперпозиции «Луна там» и «Луна тут». Более крупные объекты трудно отделить от декогерирующего влияния внешнего мира. Наша классическая реальность выступает из декогерированных теней квантового мира.