Начинают ли разгадываться тайны квантовой механики?

Колумнист Филип Болл считает, что феномен декогеренции, возможно, наконец-то преодолеет разрыв между квантовой и классической теориями. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Н

Одна из ведущих интерпретаций квантовой теории весьма убедительна. Она требует от нас поверить, например, в то, что мир, который мы воспринимаем, принципиально отделен от субатомной области, из которой он состоит. Или в то, что существует огромное количество параллельных вселенных, или что таинственный процесс приводит к спонтанному коллапсу квантовой механики. Это неудовлетворительное состояние было ключевым элементом моей книги 2018 года «За пределами странностей» (Beyond Weird), посвященной смыслу квантовой механики. Неудивительно, что эксперты по-прежнему расходятся во мнениях о том, что квантовая теория говорит о реальности, спустя столетие после ее разработки.

Но после прочтения книги физика Войцеха Журека «Декогеренция и квантовый дарвинизм», опубликованной в марте 2025 года, меня воодушевляет возможность найти ответ, который развеет все эти фантастические представления. Журек из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико десятилетиями работает над решением вопроса о том, как квантовые правила, управляющие поведением атомов и субатомных частиц, переключаются на правила классической физики — законы движения Ньютона и так далее — которые действуют в масштабах повседневной жизни.

Ключевая идея Зурека о том, как происходит этот переход, называемая декогеренцией, достаточно хорошо обоснована. Но в своей книге он впервые объединяет все элементы, которые он разрабатывал, в грандиозный синтез. Он утверждает, что старые загадки квантовой теории начинают рассеиваться. На мой взгляд, Зурек практически распутал все неразберихи, которые сбивали с толку физику на протяжении 100 лет, не прибегая к каким-либо принципиально новым или спекулятивным предположениям. Таким образом, он утверждает, что объединяет ранее непримиримое. Посмотрим, насколько далеко нас заведёт его подход и где останется неразгаданная загадка.

Если вы знакомы с квантовой механикой, вас можно простить за то, что вы подумаете, будто вся большая и странная вещь — это квантовая часть: идея о том, что мир на самых мелких масштабах зернистый, что частицы могут изменять свою энергию только резкими квантовыми скачками, обмениваясь маленькими пакетами энергии фиксированного размера. Но это само по себе не так уж и сложно. Или вы можете представить себе, что самое странное — это знаменитый принцип неопределенности Вернера Гейзенберга, который гласит, что существуют некоторые пары свойств — такие как положение и импульс частицы — которые мы никогда не сможем знать одновременно с точностью, превышающей определенный предел. Если точно измерить, где находится частица, то куда она движется, становится неизвестно. Но эта неопределенность — всего лишь симптом более глубокой проблемы.

В конечном счете, споры о квантовой механике имеют гораздо более серьезные последствия: что такое реальность. Основная проблема заключается в том, что теория говорит нам о том, что мы можем ожидать наблюдать, если проведем измерения квантовой системы, такой как атом или электрон. Это может показаться не таким уж большим отличием от любой другой научной теории, но это так. Ведь квантовая механика фактически предоставляет нам вероятности результатов измерений. Одного этого недостаточно, чтобы сделать какие-либо выводы о том, каким был мир до того, как мы провели измерение. Она не говорит нам, каков мир, а только то, что мы увидим, если посмотрим. Квантовая неопределенность, как сказал мне физик и философ Джеффри Баб из Университета Мэриленда, «представляет собой не просто незнание того, что есть на самом деле, [но] новый вид незнания чего-то, что еще не имеет истинного значения, чего-то, что просто не является ни тем, ни другим до того, как мы проведем измерение».

В формулировке квантовой механики, представленной Эрвином Шрёдингером в 1926 году, состояние квантовой системы описывается математической сущностью, называемой волновой функцией. Волновая функция — это абстрактная конструкция, позволяющая предсказывать вероятности различных возможных исходов измерения этой квантовой системы. Прежде чем измерить одно из её свойств — например, местоположение электрона, — все её возможные местоположения представляются в волновой функции как «суперпозиция», то есть каждое из них потенциально наблюдаемо с некоторой вероятностью. Любое данное наблюдение или измерение будет показывать только один из этих исходов, а последовательные, идентичные эксперименты могут показывать разные. Акт измерения, по-видимому, устраняет эту расплывчатую квантовую неопределённость, заменяя её чем-то определённым и более соответствующим нашему опыту классической реальности.

Таким образом, волновая функция не может рассказать нам, какова квантовая система, прежде чем мы её измерим. В отличие от этого, в макроскопической классической ньютоновской физике объекты обладают чётко определёнными свойствами и положением, даже когда никто не наблюдает за ними. Классический и квантовый миры, кажется, разделены тем, что Гейзенберг в конце 1920-х годов назвал «разрезом». Для него и Нильса Бора в Копенгагене реальность должна была описываться классической физикой, в то время как квантовая механика была теорией, которую мы, как классические сущности, должны были использовать для описания того, что наблюдаем в микроскопическом мире. Ни больше, ни меньше.

Но почему должны существовать два разных типа физики — классическая и квантовая — для больших и малых объектов? И где и как одна вытесняет другую? Для Бора и его коллег масштаб атомов и масштаб людей казались настолько разными, что этот вопрос не имел большого значения. В любом случае, говорили они, у нас есть некоторый выбор в отношении того, где мы проводим границу, в зависимости от того, что мы решаем включить в наши квантовые уравнения. Но сегодня мы можем исследовать мир на многих масштабах длин, включая промежуточный мезомасштаб, скажем, несколько нанометров, где неясно, должны ли применяться квантовые или классические правила. И на самом деле мы все еще можем — если эксперименты достаточно контролируемы и чувствительны — обнаружить квантовое поведение в объектах, достаточно больших, чтобы их можно было увидеть с помощью обычного оптического микроскопа. Таким образом, невозможно избежать проблемы объяснения перехода от квантовой к классической физике — «становления реальностью», которое, по-видимому, происходит, когда мы отдаляемся или проводим измерение.

Сама по себе квантовая механика, казалось, не могла объяснить этот процесс измерения, в котором все квантовые вероятности, представленные в волновой функции, «коллапсируют» в одно наблюдаемое значение. Для Бора и его коллег в Копенгагене коллапс был лишь образным: отражением классического мира, который мы воспринимаем. Другие пытались объяснить коллапс как реальное, спонтанное, случайное физическое событие, которое выбирает уникальный результат из множества возможностей — хотя какие именно факторы могут вызвать такой физический коллапс, остается неясным. Другие ссылаются на описание, постулированное Луи де Бройлем и позже развитое Дэвидом Бёмом, в котором частица действительно обладает четко определенными свойствами, но ею управляет таинственная «пилотная» волна, которая порождает странное волнообразное поведение квантовых объектов, например, интерференцию. Другие же приняли интерпретацию Хью Эверетта 1957 года, которую сейчас обычно называют «многими мирами», предполагающую отсутствие коллапса, а также то, что все результаты измерений реализуются в параллельных вселенных, так что реальность постоянно разветвляется на множество взаимонедоступных версий самой себя.

Всё это всегда казалось мне фантастикой. Почему бы просто не посмотреть, как далеко мы сможем продвинуться с помощью традиционной квантовой механики? Если мы сможем объяснить, как уникальный классический мир возникает из квантовой механики, используя только формальную, математическую основу теории, мы сможем обойтись как с неудовлетворительным и искусственным ограничением «копенгагенской интерпретации» Бора, так и с таинственными атрибутами других.

Именно здесь вступает в игру работа Зурека. Начиная с 1970-х годов, он и физик Х. Дитер Зех внимательно изучали, что сама квантовая теория говорит нам об измерениях. (Это могло бы произойти гораздо раньше, если бы исследователей на протяжении десятилетий не отговаривали от постановки вопросов об этих фундаментальных, но нерешенных проблемах теории, ссылаясь на то, что это всего лишь бессмысленная философия.)

Центральным элементом подхода Зурека является явление, называемое квантовой запутанностью, еще одно из неинтуитивных явлений, происходящих на квантовых масштабах. Шрёдингер назвал это явление в 1935 году, утверждая, что оно является ключевой особенностью квантовой механики. Он придумал это название после того, как Альберт Эйнштейн и его коллеги указали, что после контакта двух квантовых частиц посредством физических сил они кажутся странно взаимосвязанными; если измерить одну из них, то кажется, что вы мгновенно влияете на свойства другой, даже если они больше не находятся близко друг к другу. «Кажется» — ключевой термин здесь: на самом деле, квантовая механика утверждает, что взаимодействие и возникающая в результате запутанность делают частицы больше не отдельными сущностями. Они описываются одной волновой функцией, которая определяет возможные состояния обеих частиц. Например, совместная волновая функция может говорить о том, что в каком бы направлении ни была ориентирована одна из них с точки зрения магнитного поля, другая должна быть ориентирована в противоположном направлении.

При взаимодействии частиц неизбежно возникает квантовая запутанность. Это имеет значение для процесса измерения: наблюдаемые квантовые объекты запутываются с атомами измерительного прибора. «Измерение» здесь не обязательно подразумевает зондирование объекта с помощью какого-либо сложного научного оборудования; это относится к любому квантовому объекту, взаимодействующему с окружающей средой. Молекулы в яблоке описываются квантовой механикой, и фотоны света, отражающиеся от молекул на поверхности, запутываются с ними. Эти фотоны несут информацию о молекулах в ваши глаза — например, о красноте кожуры яблока, которая обусловлена квантовыми энергетическими состояниями молекул, из которых она состоит.

Другими словами, как поняли Зурек и Зех, квантовая запутанность повсеместна и является каналом передачи информации между квантовой и классической физикой. Когда квантовый объект взаимодействует с окружающей средой, он запутывается с ней. Используя только обычную квантовую математику, Зех и Зурек показали, что эта запутанность «разбавляет» квантовость объекта, поскольку становится общим свойством с запутанной средой, так что квантовые эффекты быстро становятся ненаблюдаемыми в самом объекте. Они называют этот процесс декогеренцией. Например, суперпозиция квантового объекта распределяется по всем его запутанностям в окружающей среде, так что для вывода суперпозиции нам нужно было бы исследовать все (быстро размножающиеся) запутанные сущности. Надежды на это нет, как нет надежды на восстановление пятна чернил после того, как оно рассеялось в океане.

Декогеренция происходит невероятно быстро. Для пылинки, плавающей в воздухе, столкновения с фотонами и окружающими молекулами газа приведут к декогеренции примерно за 10⁻³¹ секунд — примерно за миллионную долю времени, необходимого свету для прохождения через один протон. По сути, декогеренция разрушает тонкие квантовые явления практически мгновенно, как только они сталкиваются с окружающей средой.

Но измерение — это не только декогеренция. Это запутанность с окружающей средой, которая оставляет на этой среде отпечаток информации об объекте — например, в измерительном приборе. Последние два десятилетия Зурек изучал, как это происходит. Оказалось, что некоторые квантовые состояния обладают математическими свойствами, которые позволяют им оставлять множественные отпечатки на окружающей среде, не размываясь до невидимости из-за декогеренции. Таким образом, эти состояния соответствуют свойствам, которые «сохраняются» в наблюдаемом, декогеренированном классическом мире.

Это возможно потому, что взаимодействия, создающие каждый отпечаток, сохраняют квантовую систему в том состоянии, в котором она находилась до взаимодействия, а не переводят её в другое состояние или смешивают с другими. Фотоны, например, могут отскакивать от атома и переносить информацию о его положении, не изменяя квантового состояния системы.

Зурек называет эти устойчивые состояния «состояниями-указателями», потому что именно они позволяют стрелке измерительного прибора указывать на определенный результат. Состояния-указатели соответствуют свойствам, которые можно наблюдать в классической физике, таким как положение или заряд. Квантовые суперпозиции, напротив, не обладают этим свойством; они не могут устойчиво создавать копии, поэтому мы не можем наблюдать их напрямую. Другими словами, это не состояния-указатели.

Зурек показывает, что состояния указателей могут эффективно и надежно многократно закрепляться в окружающей среде. Такие состояния являются «наиболее приспособленными», — сказал он мне. «Они могут пережить процесс копирования, и поэтому информация о них может умножаться». По аналогии с дарвиновской эволюцией, они «отбираются» для переноса в классический мир, потому что они хорошо усиливаются — можно сказать, воспроизводятся — таким образом. Это и есть «квантовый дарвинизм», упомянутый в названии книги Зурека.

Эти отпечатки множатся чрезвычайно быстро. В 2010 году Зурек и его соавтор Джесс Ридель подсчитали, что за микросекунду фотоны Солнца оставят отпечаток на пылевой пылинке примерно 10 миллионов раз.

Теория квантового дарвинизма Зурека — которая, опять же, использует лишь стандартные уравнения квантовой механики, примененные к взаимодействию квантовой системы и ее окружения, — делает предсказания, которые сейчас проверяются экспериментально. Например, она предсказывает, что большую часть информации о квантовой системе можно получить всего лишь из очень небольшого количества отпечатков в окружающей среде; информационное содержание быстро «насыщается». Предварительные эксперименты подтверждают это, но предстоит еще многое сделать.

Как мы видели, каждый отпечаток соответствует классическому наблюдению: чему-то, что мы можем рассматривать как элемент нашей реальности. В этом отпечатке электрон магнитно ориентирован вверх. Но разве не возможно, поскольку исходное квантовое состояние содержит вероятности различных исходов, что один отпечаток может соответствовать «вверху», а другой — «внизу», так что разные наблюдатели видят разные реальности — не совсем суперпозицию, но явное её следствие в виде множества версий классической реальности?

Это приводит нас к еще одному открытию теории декогеренции, которое убеждает меня в том, что теория Зурека теперь рассказывает полную историю. Она предсказывает, что все отпечатки должны быть идентичными. Таким образом, квантовый дарвинизм настаивает на том, что уникальный классический мир может и должен возникнуть из квантовых вероятностей. Это навязывание консенсуса устраняет довольно таинственный и произвольный процесс коллапса, отдавая предпочтение чему-то более строгому. Наблюдаемый объект, окруженный облаком идентичных, наблюдаемых отпечатков в его макроскопической среде, образует элемент «относительно объективного существования», как выражается Зурек. Он становится частью нашей конкретной классической реальности, которую он называет экстантоном.

Именно здесь теория обещает разрешить споры об интерпретации. Зурек говорит, что она достигает того, что могло показаться невозможным: примирения копенгагенской и многомировой интерпретаций. В первой волновая функция считается эпистемической: она описывает то, что мы можем знать о квантовом мире. Во второй волновая функция является онтической: это высшая реальность — описание всех ветвей реальности одновременно — хотя мы можем когда-либо испытать только одну ветвь этой квантовой мультивселенной. Зурек говорит, что волновая функция на самом деле является и тем, и другим. «Два противоречащих друг другу взгляда на квантовые состояния, [эпистемический и онтический], и утверждение, что состояния должны быть либо одним, либо другим, неверны», — сказал он мне, когда я расспросил его об истории, рассказанной в его книге. Вместо этого состояния являются «эпионтическими». То есть, до того, как произойдет декогеренция, все квантовые возможности в некотором смысле присутствуют. Но декогеренция и квантовый дарвинизм выбирают только одну из них в качестве элемента нашей наблюдаемой реальности, без необходимости присваивать всем остальным классическую реальность в каком-либо другом мире. Другие состояния существуют в абстрактном пространстве возможностей, но они остаются там, никогда не получая шанса развиться посредством взаимосвязи в наблюдаемую реальность.

Я бы не стал утверждать, что картина Зурека окончательно проясняет квантовую механику. Почему, например, в данном измерении выбирается именно этот результат, а не тот? Должны ли мы (как настаивали Бор и Гейзенберг) просто принять, что это происходит случайным образом, без всякой причины? И в какой момент квантовый мир безвозвратно определяет результат конкретного измерения, так что мы больше не можем «собрать» суперпозицию из запутанной сети взаимодействий между объектом и окружающей средой? И самое главное: как мы можем проверить теорию более строго?

Некоторые эксперты, с которыми я беседовал о концепции Зурека, выражают осторожный энтузиазм. Например, Салли Шрапнел из Университета Квинсленда в Австралии сказала мне, что программа Зурека «представляет собой элегантный подход к объяснению возникновения классичности из основных постулатов квантовой теории», но при этом она все еще не затрагивает «сложный вопрос о том, что же на самом деле представляет собой лежащая в основе «квантовая подложка»». Как, например, мы должны представлять себе область, в которой все возможности все еще существуют до декогеренции? Насколько она «реальна»?

Ренато Реннер из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе не убежден, что разрешение конфликта между копенгагенской и многомировой интерпретациями решает все проблемы. Он указывает на возможность построения странных, но экспериментально осуществимых сценариев, в которых разные наблюдатели не могут прийти к согласию относительно результата. Даже если такие исключения кажутся надуманными, он считает, что они показывают, что мы еще не нашли квантовую интерпретацию, которая действительно работает.

Тем не менее, философия подхода Зурека кажется мне правильной. Вместо того чтобы придумывать сложные истории для решения проблемы измерения в квантовой механике, почему бы терпеливо и тщательно не разобраться в том, что может сказать стандартная квантовая механика о том, как информация о квантовом объекте попадает в наблюдаемый мир? Здесь пионеры квантовой механики оставили много работы незавершенной в революции, которую они начали столетие назад, преждевременно закрыв этот вопрос (обычно настаивая на копенгагенской интерпретации или просто принимая ее без вопросов). Теперь мы, по крайней мере, можем надеяться завершить эту задачу.

Источник: www.quantamagazine.org