Читать книгу - "Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе - Алексей Михайлович Семихатов"

если известно, что тест отрицательный?» – осмысленный, ответ на него требует конкретной информации. Однако между двумя измерениями в лаборатории коллеги ничего не изменилось, поэтому вопрос близок к вопросам «Какова вероятность, что я здоров, если известно, что я здоров?» и «Какова вероятность, что я болен, если известно, что я здоров?», ответы на которые – 100 % и 0 %. Для коллеги, другими словами, искомая вероятность должна быть равна 100 %, если второй результат есть просто тот же самый a, и равна нулю, если это другой результат. Однако квантовая механика говорит, что вероятность равна 50 %: в половине случаев коллега заключит, что два результата совпадают, но в половине случаев – что они различны.

Здесь вовлечены два переживаемых коллегой момента времени, и ее заключение опирается на память о первом результате. В системе ничего не изменилось, поэтому в 50 % случаев память коллеги оказывается недостоверной – из-за наблюдения со стороны Вигнера, хотя оно и не меняет квантового состояния. Возникающий здесь разрыв реальности можно выразить другими словами, сказав, что с информацией из прошлого не получается обращаться так, как будто она все еще существует сейчас{96}.

Мысленные эксперименты с друзьями и коллегами Вигнера плодотворно обсуждались в нескольких близких вариантах, и логическое противоречие удалось зафиксировать даже в небольшом перечне требований, которые обычно предъявляются к наблюдателю («агенту», в другой терминологии). В самом деле, каким условиям надо удовлетворять, чтобы «соответствовать должностным обязанностям наблюдателя»? Анализ показывает, что дело сводится к четырем требованиям. Во-первых, наблюдатель должен действовать локально и в пространстве, и во времени: как бы он ни подкручивал настройки своего прибора, они не оказывают мгновенного влияния на расстоянии и не влияют на прошлое. Во-вторых – и здесь начинается самое интересное, – впечатления наблюдателя должны иметь соответствия в физическом мире; например, если вы наблюдаете красный цвет, то ваши нейроны срабатывают одним способом, а если зеленый – то другим{97}. В-третьих, наблюдатель должен считать мысли других квалифицированных агентов столь же реальными, сколь свои собственные. Четвертым, и последним, идет эго-абсолютизм: утверждение, что наличие моих мыслей безусловно, не зависит ни от каких условий и не требует указания каких-либо контекстов и тому подобного.

Выясняется, однако, что в применении к наблюдателям в ситуации «друзей Вигнера» одни только эти требования (в сочетании, разумеется, с квантовой механикой) уже приводят к логическому противоречию. Они, следовательно, не могут выполняться одновременно. Неудивительно, что обсуждаемый мысленный эксперимент так хочется приблизить к реальности.

Изолировать сколько-нибудь большую систему от внешнего мира невозможно, поэтому обсуждаются перспективы поручить роль коллеги или друга искусственному интеллекту высокого уровня, реализованному в квантовом компьютере. Над ним тогда можно было бы выполнять измерения, а он в свою очередь измерял бы спин одного кубита. Что бы он рассказал о пережитом? На данный момент практические достижения скромные: нарушение неравенств Белла было действительно установлено в «запутанном» эксперименте с двумя вигнерами и двумя друзьями, но роль последних исполняли всего лишь фотоны (точнее, выбираемые ими пути) – а фотон не все готовы считать настоящим другом. В общем, эксперимент показал, что в схеме, включающей несколько участников, а потому более сложной по сравнению с теми, что использовались ранее (например, в связи с неравенствами Белла), все запутывание происходит так, как и велит уравнение Шрёдингера; до опытов с памятью коллеги пока далеко.

В свое время проверка неравенств Белла представлялась делом далекого будущего. «Повышение качества друзей» за счет развития технологий, возможно, позволит когда-нибудь точнее указать, в чем именно квантовая реальность расходится с классической. По крайней мере одна точка несогласия определенно есть, но их может быть и несколько.

Другой вопрос – каким же образом мы все-таки оказались вдали от обсуждаемых странностей мироустройства в окружающей нас классической реальности? Она-то откуда берется, если внутри все квантовое?

22

Что от Дарвина

Мир выглядел бы совершенно безумным, если бы в нашем восприятии отражалась даже малая часть экзотически запутанных состояний, которые в огромном количестве возникают в ходе эволюции волновой функции под управлением уравнения Шрёдингера. Общим местом была бы неопределенность положения и ориентации в пространстве; объекты находились бы в самых немыслимых комбинациях запутанных свойств. Кроме того, мир потерял бы всякую стабильность, потому что квантовые состояния хрупки и уязвимы: один-единственный наблюдатель, взявшийся за измерение без предварительного знания, изменит состояние системы на какое-то другое.

Вместо этого мы живем во вселенной, состоящей из множества классических систем: это бактерии, камни, деревья, тигры, планеты… Все они ведут себя так, чтобы нельзя было даже заподозрить их квантовое происхождение: они не вовлекаются в запутанность и не образуют новые состояния путем комбинирования других состояний. Они полноценно существуют «сами по себе», независимо от того, что о них известно, а наблюдения с целью выяснить их состояние никак это состояние не портят.

Такое положение дел и составляет то, что мы называем объективной классической реальностью. Она, однако, должна каким-то образом «вырастать» из квантовой реальности, сидящей в глубине вещей. И это притом, что в ходе развития волновой функции во времени возникает несравненно (в убедительном математическом смысле) больше экзотических состояний, чем тех, которые пригодны для создания классической картины мира.

Бесценные для нас немногочисленные состояния, участвующие в создании классической картины мира, оказываются, однако, «избранными» благодаря среде.

Каждая относительно самостоятельная система беспрестанно взаимодействует с тем, что находится вне ее. Ни одну систему нельзя полностью изолировать от всего на свете (при недосягаемости для любого взаимодействия она перестала бы быть частью физического мира). И по отношению ко всякой более-менее автономной системе весь остальной мир – это среда; хотя разделение между ними до некоторой степени условно, факт все же состоит в том, что «системы» существуют, а значит, как-то выделяются из среды{98}.

Среду не стоит недооценивать уже по той причине, что она играет роль информационного канала: наблюдаем мы не состояния сами по себе, а их «отпечатки», свидетельства о них в среде. Например, свидетельством существования этого текста среди прочего являются фотоны, отражаемые листом бумаги или излучаемые экраном.

Роль главного распорядителя во взаимоотношениях со средой принадлежит запутанности – по той простой причине, что квантовые состояния почти всегда представляют собой какие-то комбинации, а в таком случае любое взаимодействие, как мы неоднократно видели, вовлекает участников в запутанность в соответствии с уравнением Шрёдингера. «Вовлеченные» части среды и отражают («на них отпечатывается») состояние квантовой системы; говоря более формально, между состояниями системы и среды возникают корреляции.

Среда состоит из огромного числа относительно независимых элементов, и то, что мы наблюдаем при ее посредничестве, – итог создания колоссального числа «отпечатков». Пылинка диаметром около микрона рассеивает столько полученных от Солнца фотонов, что за одну микросекунду передает через них информацию о своем положении примерно 100 млн раз. При этом квантовые состояния, представляющие собой экзотические комбинации (пылинка в комбинации состояний «здесь» и «там»), сильно отстают и оказываются в этом смысле «не приспособленными к среде». Среда обеспечивает отбор, в результате которого выживают, множатся и потому наблюдаются только наиболее приспособленные к окружающим условиям.

Идея более успешного размножения самых приспособленных знакома нам по совсем другому поводу: она восходит к Дарвину и объясняет происхождение видов, т. е. биологическую эволюцию. Если полностью отвлечься от содержания и обсуждать только формальные признаки, главные идеи дарвиновского отбора – это репродукция, наследуемая изменчивость (небольшие вариации в свежесоздаваемых экземплярах, передаваемые затем следующим копиям) и избирательное выживание наиболее подходящих из них (собственно естественный отбор). Концепция возникновения наблюдаемого классического мира из ненаблюдаемого и чуждого ему квантового получила поэтому название квантового дарвинизма{99}.

Привычные нам состояния кошек и всего остального отличаются своей успешностью в соревновании под девизом «Оставь в среде как можно больше отпечатков». Кошку, пребывающую в запутанном состоянии неясности относительно жизни и смерти, не видно в записях, оставленных в среде. Доступны только (многократно повторяющиеся) записи одной из возможностей – живая или мертвая. Фраза «контроль окружающей среды» приобретает новое актуальное