Квантовый теоретик Кристофер Фукс объясняет, как разрешить парадоксы квантовой механики. Его цена: физика становится личной. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Закрывать
Кристофер Фукс описывает физику как «динамичное взаимодействие повествования и написания уравнений. Ни одно из них не существует отдельно, даже в конечном счёте». И действительно, у Фукса, физика из Массачусетского университета в Бостоне, есть радикальная история. Эта история называется «кью-Бизм» и звучит примерно так.
Когда-то давно существовала волновая функция, которая, как утверждалось, полностью описывала состояние физической системы во внешнем мире. Форма волновой функции кодирует вероятности результатов любых измерений, которые мог бы провести наблюдатель, но волновая функция принадлежала самой природе, являясь объективным описанием объективной реальности.
Затем появился Фукс. Вместе с исследователями Карлтоном Кейвсом и Рюдигером Шаком он интерпретировал вероятности волновой функции как байесовские вероятности, то есть как субъективные степени убежденности в отношении системы. Байесовские вероятности можно рассматривать как азартные игры, основанные на ставках на результаты измерений, которые обновляются по мере появления новых данных. Другими словами, утверждал Фукс, волновая функция описывает не мир, а наблюдателя. «Квантовая механика, — говорит он, — это закон мышления».
Квантовый байесианизм, или кьюбизм, как теперь называет его Фукс, разрешает многие глубочайшие загадки квантовой теории. Возьмём, к примеру, печально известный «коллапс волновой функции», когда квантовая система необъяснимым образом переходит из нескольких одновременных состояний в одно и то же состояние. Согласно кьюбизму, «коллапс» волновой функции — это просто изменение наблюдателем своих убеждений после проведения измерения. Жутковатое действие на расстоянии, когда измерение одним наблюдателем частицы прямо здесь коллапсирует волновую функцию частицы далеко там, оказывается не таким уж жутким — измерение здесь просто предоставляет информацию, которую наблюдатель может использовать для прогнозирования состояния удалённой частицы, если он с ней соприкоснётся. Но как, спрашивается, его измерение здесь влияет на результат измерения, которое второй наблюдатель проведёт там? На самом деле, не влияет. Поскольку волновая функция не принадлежит самой системе, у каждого наблюдателя своя. Моя волновая функция не обязательно совпадает с вашей.
Закрывать
В море интерпретаций квантовой странности кьюбизм плывёт в одиночестве. Традиционная «копенгагенская интерпретация» рассматривает наблюдателя как нечто, находящееся вне природы, наделённое таинственными силами коллапса волновой функции, управляемое законами физики, отличными от тех, что управляют наблюдаемым. Всё это хорошо и замечательно, пока не появляется второй наблюдатель, который наблюдает за первым. Интерпретация «многих миров» утверждает, что Вселенная и все её наблюдатели описываются единой гигантской волновой функцией, которая никогда не коллапсирует. Конечно, чтобы это работало, нужно настаивать на том, что на каждой развилке — при каждом подбрасывании монеты, при каждом решении, в каждый момент — волновая функция разветвляется, как и мы, разделяясь на бесчисленные версии нас самих, которые коллективно сделали и не сделали всё, что мы когда-либо сделаем или не сделаем. Для тех, для кого множество бесконечных параллельных реальностей — слишком высокая цена, чтобы избежать коллапса волновой функции, всегда существует бомовская интерпретация, которая стремится восстановить более конкретную реальность мира, постулируя существование направляющей силы, пронизывающей Вселенную и детерминированно управляющей всем в ней. К сожалению, эта новая реальность навсегда остаётся вне досягаемости научного исследования.
У всех этих интерпретаций есть нечто общее: они рассматривают волновую функцию как описание объективной реальности, разделяемой множеством наблюдателей. Кьюбизм же, напротив, рассматривает волновую функцию как описание субъективного знания одного наблюдателя. Он разрешает все квантовые парадоксы, но ценой немалой потери того, что мы можем назвать «реальностью». С другой стороны, возможно, именно это квантовая механика и пыталась нам сказать всё это время — что единственная объективная реальность — это иллюзия.
Кьюбизм также поднимает множество новых и столь же загадочных вопросов. Если волновая функция описывает наблюдателя, должен ли этот наблюдатель быть человеком? Должен ли этот наблюдатель обладать сознанием? Может ли это быть собака? («Собаки не используют волновые функции», — сказал Фукс. — «Чёрт возьми, я не коллапсировал волновую функцию, пока мне не исполнилось 34 года».) Если моя волновая функция не обязана совпадать с вашей, живём ли мы в одной вселенной? И если квантовая механика не описывает внешнюю реальность, то что же её описывает?
Фукс борется с этими вопросами, часто излагая свои мысли в форме электронных писем. Его послания стали легендарными. Два десятилетия Фукс собирал их в огромные документы — он называет их своими самиздатом — которые циркулировали среди квантовых физиков и философов как своего рода подпольные рукописи. После того, как Фукс потерял свой дом в Лос-Аламосе из-за пожара в мае 2000 года, он решил подкрепить их, опубликовав их на сайте научных препринтов arxiv.org в виде массивной статьи, которая позже была опубликована издательством Cambridge University Press в виде книги на 500 страниц. Второй самиздат был выпущен 13 лет спустя, с дополнительными 2300 страницами. Эти письма раскрывают как пытливый ум Фукса, так и его колоритную личность. Как сказал физик Дэвид Мермин: «Если бы Криса Фукса не существовало, Бог совершил бы ошибку, не придумав его».
Так чем же закончится история кьюбизма? В конечном счёте, Фукс хочет ответить на один-единственный вопрос, заданный выдающимся физиком Джоном Арчибальдом Уилером, наставником Фукса: «Почему именно квант?» То есть, почему мир устроен таким образом, что его можно описать только странными правилами квантовой механики?
Тем временем Quanta встретилась с Фуксом в кофейне в Кембридже, штат Массачусетс, чтобы задать ему несколько вопросов. Ниже представлена отредактированная и сокращённая версия нашей беседы.
КВАНТА ЖУРНАЛ: Вы сказали: «Я знал, что должен стать физиком, не из любви к физике, а из-за недоверия к ней».
КРИСТОФЕР ФУКС: В детстве я был большим поклонником научной фантастики. Я вырос в маленьком техасском городке, и мне очень нравилась идея космических полётов. Это казалось неизбежным — мы собирались на Луну, это был только первый шаг, наука безгранична, и в конце концов мы будем делать то, что делают в «Звёздном пути»: посещать планеты, находить новых существ, переживать приключения. Поэтому я начал читать книги по физике и космическим путешествиям, и именно там я впервые узнал, что космические путешествия будут затруднены из-за больших расстояний между звёздами. Как этого избежать? Я узнал о Джоне Уилере, чёрных дырах и червоточинах, и о том, что, возможно, червоточины могут быть способом обойти проблему ограничения скорости, или мы могли бы преодолеть ограничение скорости, используя экзотические частицы, называемые тахионами. Я проглотил эту информацию. Большая часть из неё оказалась довольно невероятной; червоточины оказались нестабильными, и никто по-настоящему не верил в тахионы. В целом, мне пришло в голову, что физика не позволит нам добраться до звёзд. В шутку я говорил друзьям: если законы физики не позволяют нам добраться до звёзд, значит, они неверны!
Вероятности не существует! Её ждёт участь флогистона, ведьм, эльфов и фей.
В итоге вы стали учиться у Джона Уиллера.
Когда я впервые приехал в Техасский университет, меня осенило, что Джон Уилер, о котором я читал много лет назад, на самом деле был там профессором. Поэтому я пошёл и прочитал несколько его новых статей, в которых он говорил о «законе без закона». Он говорил что-то вроде: «В конце концов, единственный закон заключается в том, что закона нет». В физике нет абсолютного закона. Все законы физики изменчивы, и эта изменчивость сама по себе является физическим принципом. Он говорил, что нет ни одного закона физики, который не был бы превзойдён. Я увидел это и вспомнил свою шутку о том, что законы физики, должно быть, неверны, и меня невероятно привлекла эта идея о том, что, возможно, в конечном счёте законов физики вообще нет. Что есть вместо законов, я не знал. Но если законы не заслуживают стопроцентного доверия, возможно, существует чёрный ход к звёздам. Всё это был юношеский романтизм; я даже ещё не изучал физику.
В одной из своих статей вы упоминаете, что Эрвин Шредингер писал о влиянии греков на наше представление о реальности и что исторически сложилось так, что мы говорим о реальности, не упоминая субъекта — говорящего. Вы пытаетесь развеять чары греческого мышления?
Шредингер считал, что греки обладают некой властью над нами — они считали, что единственный способ добиться прогресса в познании мира — это говорить о нём без «познающего субъекта». Кьюбизм противоречит этому подходу, утверждая, что квантовая механика изучает не мир без нас, а именно нас в этом мире. Предметом теории является не мир или мы, а мы внутри мира, интерфейс между ними.
Мы настолько укоренились в мысли о мире, не думая о себе в нём. Это напоминает мне Эйнштейна, который подвергал сомнению пространство и время — эти свойства мира, казавшиеся настолько непреложными, что никому даже в голову не приходило их подвергать сомнению.
Говорят, что в ранних цивилизациях люди не совсем понимали, как отличить объективное от субъективного. Но как только идея разделения этих двух понятий укоренилась, нам сказали, что мы должны это сделать, и что наука занимается объективным. И теперь, когда это сделано, трудно повернуть назад. Думаю, самый большой страх людей перед кью-бизмом заключается именно в этом: в его антропоцентричности. Такое ощущение, что мы преодолели это с Коперником, и это, должно быть, шаг назад. Но я думаю, если мы действительно хотим Вселенную, полную возможностей без каких-либо пределов, то именно туда нам и нужно двигаться.
Как QBism помогает обойти эти ограничения?
Один из способов взглянуть на это так: законы физики не касаются того, что «где-то там». Скорее, они являются нашими лучшими выражениями, нашими наиболее всеобъемлющими утверждениями о наших собственных ограничениях. Когда мы говорим, что скорость света — это предел скорости, мы подразумеваем, что не можем превзойти её. Но подобно тому, как наш мозг увеличивался в размерах в ходе дарвиновской эволюции, можно представить, что в конечном итоге мы достигнем стадии, на которой сможем использовать то, что сейчас нам недоступно. Мы могли бы назвать это «изменениями в законах физики». Обычно мы думаем о Вселенной как о чём-то неизменном и неизменном. Вместо этого, методологически, мы должны исходить из прямо противоположного: что Вселенная существует перед нами, чтобы мы могли её формировать, что её можно изменить, и что она будет оказывать нам сопротивление. Мы поймём свои пределы, заметив, насколько сильно она оказывает нам сопротивление.
Давайте поговорим о вероятности.
Вероятности не существует! Бруно де Финетти во введении к своему двухтомнику по теории вероятностей пишет заглавными буквами: «ВЕРОЯТНОСТИ НЕ СУЩЕСТВУЕТ». Он говорит, что её ждёт участь флогистона, ведьм, эльфов и фей.
Когда основатели квантовой механики поняли, что теория описывает мир с точки зрения вероятностей, они посчитали это означает, что сам мир является вероятностным.
Во времена Пьера-Симона Лапласа вероятность считалась субъективным утверждением — вы не знаете всего, но можете управлять этим, количественно оценивая свои знания. Но где-то в конце 1800-х и начале 1900-х годов вероятности начали возникать способами, которые казались объективными. Люди использовали статистические методы для получения величин, которые можно было измерить в лаборатории — таких как тепло. Поэтому люди решили, что если эта величина возникает из-за вероятностных соображений и она объективна, то должно быть, что и вероятности также объективны. Затем появилась квантовая механика. Копенгагенская толпа утверждала, что квантовая механика — это полная теория, законченная, замкнутая, что часто понималось как то, что все ее характеристики должны быть объективными характеристиками природы. Если квантовые состояния дают вероятности, эти вероятности также должны быть объективными характеристиками природы. По другую сторону ограды был Альберт Эйнштейн, который сказал, что квантовая механика неполна. Когда он описывал вероятности в квантовой механике, он, по-видимому, интерпретировал их как утверждения неполного знания, субъективные состояния.
Поэтому, когда вы говорите, что вероятности не существует, вы имеете в виду, что объективной вероятности не существует.
Верно, в мире не существует ничего, кроме игорного агента. Но предположим, вы убедили себя, что правильный способ понимать вероятность — это описание неопределенности и незнания. Теперь есть спектр позиций, которые вы можете занять. По словам байесовского статистика И. Дж. Гуда, существует 46 656 разновидностей. Когда мы начали работать над квантовым байесовством, мы пытались занять позицию относительно вероятности, похожую на позицию Э. Т. Джейнса: мы признаем, что вероятности находятся у нас в голове — мои вероятности находятся у меня в голове, ваши вероятности находятся у вас в голове, — но если я основываю свои вероятности на той же информации, что и вы, наши два назначения вероятностей должны быть одинаковыми. Обусловленные этой информацией, они должны быть объективными. В спектре 46 656 разновидностей эта позиция называется «объективным байесовством».
На другом конце спектра находится Бруно де Финетти. Он говорит, что нет никаких причин для совпадения моих и ваших вероятностей, потому что мои основаны на моём опыте, а ваши – на вашем. В таком случае, если мы думаем о вероятностях как об игровых установках, лучшее, что мы можем сделать, – это попытаться сделать все наши личные игровые установки внутренне согласованными. Мне следует сделать это со своими, а вам – с вашими, но это лучшее, что мы можем сделать. Именно это имел в виду де Финетти, когда говорил, что вероятности не существует. Он имел в виду: давайте займём крайнюю позицию. Вместо того, чтобы говорить, что вероятности в основном существуют в моей голове, но есть некоторые дополнительные правила, которые всё ещё привязывают их к миру, он избавился от якоря.
В конце концов, мы с моим коллегой Рюдигером Шаком решили, что ради последовательности нам нужно разорвать связи с Джейнсом и больше ориентироваться на де Финетти. Мы решили, что именно там, где Джейнс высмеивал де Финетти, и находится настоящее решение.
Тогда ли название квантового байесианства изменилось на QBism?
Квантовое байесианство было слишком сложно произносить, поэтому я стал называть его кьюбизмом. Как только я стал называть его кьюбизмом, люди стали обращать на него больше внимания! Но мой коллега Дэвид Мермин начал возмущаться, что кьюбизм на самом деле не должен быть сокращением от квантового байесианства, потому что есть много байесовцев, которые не принимают наши выводы. Поэтому он хотел назвать его квантовым бруноизмом, в честь Бруно де Финетти. Проблема в том, что есть части метафизики кьюбизма, которые даже де Финетти не принимает!
Но потом я нашёл идеальную букву B. Проблема в том, что она настолько уродлива, что вы не захотите выставлять её напоказ. Этот термин принадлежит судье Верховного суда Оливеру Уэнделлу Холмсу-младшему. Он описал свою философию как «беттабилитаризм». Это философия, согласно которой, как сказал Луи Менанд, «мир шатается на суставах». Лучшее, что вы можете сделать, — это рисковать последствиями своих действий. [Синтаксис происходит от bet и ability.] Я думаю, это идеально подходит, но я не хочу говорить, что QBism означает квантовый беттабилитаризм, поэтому, я думаю, лучше поступить так, как сделала KFC. Раньше это было Kentucky Fried Chicken; теперь это просто KFC.
Если квантовая механика — это руководство пользователя, как вы её назвали, то кто этот пользователь? Эйнштейн говорил о наблюдателях, но наблюдатель в квантовой механике отличается от наблюдателя в теории относительности.
На днях я разговаривал с философом Робом ДиСалле. Он сказал, что наблюдатель не так уж и проблематичен в теории относительности, потому что один наблюдатель может, так сказать, «заглянуть через плечо другого наблюдателя». Мне нравится эта формулировка. Другими словами, можно взять то, что видит один наблюдатель, и использовать законы преобразования, чтобы увидеть, что увидит другой наблюдатель. Бор действительно это подчеркивал. Он подчёркивал сходство между квантовой механикой и теорией относительности и не мог понять, почему Эйнштейн не принимает квантовую теорию. Но я думаю, что проблемы разные. В кьюбизме результат квантового измерения понимается как личный. Никто другой его не может увидеть. Я вижу его, или вы его видите. Нет преобразования, которое переводит один личный опыт в другой личный опыт. Уильям Джеймс просто ошибался, когда пытался утверждать, что «два разума могут знать одно».
Означает ли это, что, как выразился Артур Эддингтон, мир — это мир разума?
Согласно кью-би-изму, мир не состоит из того, что находится «вне», как полагали греки. И он не состоит из того, что находится «внутри», как полагали идеалисты, такие как Джордж Беркли и Эддингтон. Скорее, мир состоит из того, с чем каждый из нас сталкивается в каждый момент жизни — того, что не находится ни внутри, ни снаружи, но предшествует самой идее разделения между ними.
Так в конечном итоге наступает объективность?
Надеюсь, так и будет. В конечном счёте, я рассматриваю кьюбизм как попытку указать на нечто в мире и сказать, что это присуще ему. Но у меня пока нет окончательного ответа. Квантовая механика — теория, доступная только одному пользователю, но, анализируя её, можно узнать что-то новое о мире, в который мы все погружены.
Рассмотрение квантовой механики как теории, рассчитанной на одного пользователя, разрешает множество парадоксов, таких как жуткое действие на расстоянии.
Да, но в том смысле, который многих настораживает. Обычная история теоремы Белла заключается в том, что она утверждает, что мир должен быть нелокальным. Что на самом деле существует жуткое действие на расстоянии. Таким образом, они решили одну загадку, добавив чертовски большую загадку! Что же это за нелокальность? Дайте мне её полную теорию. Мы с коллегами-квантуалистами думаем, что теорема Белла на самом деле указывает на то, что результаты измерений — это опыт, а не откровения о чём-то уже существующем. Конечно, другие считают, что мы отказались от науки как дисциплины, потому что мы говорим о субъективных степенях веры. Но мы думаем, что она решает все фундаментальные головоломки. Единственное, чего она не решает, — это вопрос Уиллера: почему квант?
Почему квантовый?
Хотелось бы иметь больше здравого смысла. Меня завораживают эти прекрасные математические структуры, называемые SIC (симметричные информационно полные измерения) – ужасное название, почти такое же ужасное, как беттабилитаризм. С их помощью можно переписать правило Борна [математическую процедуру, генерирующую вероятности в квантовой механике] на другом языке, где, по-видимому, правило Борна каким-то образом глубоко связано с анализом реального мира в терминах гипотетических. Если вы в глубине души верите – а не все в это верят – что истинное послание квантовой механики заключается в том, что мир нестабилен в своих соединениях, что в мире действительно существует случайность, что в мире действительно может быть что-то новое, то мир постоянно полон возможностей, и квантовая механика связывает их воедино. Возможно, нам потребуется 25 лет, чтобы разобраться в математике, но через 25 лет давайте вернёмся к этому разговору!
Эта статья была перепечатана на Wired.com.
Источник: www.quantamagazine.org
