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

Во-первых, состояния квантовых систем, которые имеют шансы быть «заметными» в классической вселенной, должны обладать относительной устойчивостью при взаимодействии со средой: от них требуется не слишком сильно изменяться от этого взаимодействия. Во-вторых, требуется устойчивость «отпечатков» состояний в среде (устойчивость корреляций состояний со средой). Здесь обсуждается уже не то, как среда влияет на систему, а как квантовая система влияет на среду. Правда, говорят при этом, что среда наблюдает или измеряет квантовую систему, потому что «отпечатки», оставленные в среде, до некоторой степени наделяют ее ролью измерительного прибора (задача которого ведь в том и состоит, чтобы так или иначе отобразить в своем состоянии свойства измеряемой системы).

Устойчивые в обоих смыслах состояния и оказываются «приспособленными» – многократно оставляют в среде информацию о себе, причем примерно одну и ту же. Такие состояния есть, и это состояния системы, минимальным образом запутанные со средой. К ним относятся состояния, выражающие определенные положение и ориентацию в пространстве, определенную скорость, определенный заряд или спин (поляризацию для фотонов). Для них используется обобщенный термин «указательные состояния», потому что они в принципе могут кодироваться положением ручки/указателя прибора. Наличие настоящего прибора совершенно не обязательно, речь идет только о принципиальной возможности; тем не менее положение указателя прибора, показывающее измеренное значение, – выразительный пример корреляции с состоянием измеряемой системы{100}.

Менее успешные состояния, более склонные к запутыванию, «разлокализуются» средой – вовлекаются в производство ветвей волновой функции, различающихся положениями в пространстве, и из-за этого «теряющих видимость» для локального наблюдателя. Как это происходит, можно увидеть в модельной ситуации, когда атом по-разному взаимодействует с молекулами воздуха в зависимости от своего спина: пусть атом со спином вверх передает молекуле «пинок», для простоты, вверх, а атом со спином вниз – пинок вниз. Атом же в состоянии «спин вверх плюс спин вниз» (скажем, при наличии вертикального магнитного поля) запутывается с молекулой в состояние «(спин вверх, получила пинок вверх) плюс (спин вниз, получила пинок вниз)». Но фигурирующая здесь молекула без промедления взаимодействует с другими, те, в свою очередь, тоже вступают во взаимодействия, и т. д.; в результате стремительно растет число участников обеих ветвей волновой функции, и два исходных спиновых состояния атома расходятся каждое «своей дорогой» (буквально по параллельным вселенным, если вам больше всего по душе интерпретация из главы 11). Отпечаток исходной комбинации свойств в волновой функции «разлокализовывается» в среде, становясь очень трудночитаемым, а вместо него возникает меню из отпечатков каждого свойства по отдельности.

Процесс растекания запутанности (корреляций) по среде называется декогеренцией. Он сопровождается лавинообразно растущим количеством различий, включая пространственные, между ветвями, которые вырастают из исходных возможностей, содержавшихся в волновой функции. Расстояние в один микрон может показаться небольшим, но если разнесенными на такое расстояние оказались молекулы в макроскопическом количестве, скажем около 1023, то «суммарный зазор» сравним со световым годом. Накапливаются такие различия необычайно быстро; оценки несколько разнятся, но интервал времени в 10–20 с выглядит разумным, а это очень быстро даже по атомным масштабам. Итоговая картина такова, как если бы указательные состояния вели себя не по квантовым, а по классическим законам – не образовывали бы комбинаций.

Попутно решается важная проблема, которую математический аппарат квантовой механики решить без посторонней помощи не в состоянии: какие именно возможности счесть «опорными» перед тем, как рассуждать о том, комбинируются они или нет? Квантовая механика сама по себе полностью равнодушна к тому, какие бывают кошки: вместо состояний «кошка жива» и «кошка мертва» с таким же математическим основанием можно взять состояния «кошка жива плюс кошка мертва» и «кошка жива минус кошка мертва»{101}. Чем выделены «нормальные» кошки? Точно так же про каждый измерительный прибор можно спросить, почему, собственно, в результате измерения ручка прибора указывает, например, на отметку «5», а не представляет собой комбинацию, скажем, состояния, указывающего на «3», и состояния, указывающего на «4». Что выделяет одни возможности среди прочих в качестве опорных? Это, по существу, вопрос об устройстве указательных состояний.

Конкретный вид указательных состояний зависит от того, как устроено взаимодействие между системой и средой – в первую очередь от того, насколько оно сильно. Если оно слабое, главную роль в формировании указательных состояний играет (командуя в уравнении Шрёдингера) энергия самой системы, и тогда выделенными оказываются состояния с постоянной энергией; они, как правило, нелокализованные, и именно таково состояние электронов в атоме. Но если взаимодействие между системой и средой достаточно сильное и при этом зависит от расстояния – а такое часто случается в соответствии с законами природы, – то предпочтительными состояниями оказываются те, которые отвечают определенному положению в пространстве. Причина – в отсутствии вражды между однотипными величинами (расстояние и положение в пространстве) и, наоборот, вражда положения с некоторыми другими величинами, например с энергией движения. Классический мир, как отсюда можно заключить, хотя бы отчасти обязан своим возникновением распространенной форме законов природы – зависимости силы взаимодействия от расстояния.

Поучительный пример того, как взаимодействие со средой «побеждает» стремление квантовых систем находиться в состояниях с определенной энергией, – молекулы, такие как сахара, которые имеют две пространственные формы, представляющие собой зеркальные отражения друг друга. Эти молекулы всегда находятся в состояниях с определенной хиральностью, т. е. являются левыми или правыми, хотя каждое из этих состояний – это комбинация состояний с определенной энергией! Дело здесь именно в постоянном «наблюдении» со стороны среды, образованной окружающими молекулами. Всякая попытка приготовить молекулы сахара в состоянии с определенной энергией привела бы к немедленной декогеренции в более устойчивые состояния с определенной хиральностью.

И никогда не наблюдаются состояния, выражающие комбинацию различных значений электрического заряда. По-видимому, взаимодействие заряда с им же созданным полем уже играет роль взаимодействия со средой, в результате которого такие комбинации проигрывают состояниям с определенным зарядом.

Каждому указательному состоянию соответствует набор физических величин, которые хорошо отпечатываются в среде: от них требуется отсутствие взаимной вражды в смысле, обсуждавшемся в главе 3 (а также – аналогичным математическим образом – «дружба» с самим указательным состоянием). Тогда их можно наблюдать/измерять совместно, и наблюдатели получат для них устойчивые и согласующиеся между собой данные – необходимые черты классической реальности. Например, различные наблюдатели, к которым попадают порции информации от уже упоминавшейся пылинки, сделают из них согласованные выводы о ее положении в пространстве, и это позволяет приписать пылинке «объективное положение». Именно консенсус, достигаемый на основе независимых наблюдений, и поддерживает иллюзию объективного существования классической реальности.

Из устройства запутанности математически следует, кроме того, что отчетливо различные отпечатки в среде оставляют только те квантовые состояния, которые «максимально разделены» в своих математических пространствах, где властвует квантово-механический «оракул». Оттуда к нам передается таким способом некоторая дискретность: два «соседних» состояния, различимых по отпечаткам в среде, в своей внутренней жизни должны различаться не на какую-то незначительную добавку, а максимально существенно, на что-то вроде «скачка» (не должны иметь никакого «пересечения», для чего есть строгое математическое определение).

У нас нет ни возможности, ни необходимости вылавливать всю распространившуюся по среде информацию, прочесывая пространство целиком. Каждому наблюдателю всегда доступен только какой-то фрагмент – например, далеко не все фотоны, которые могут свидетельствовать об этом тексте, попадают на вашу сетчатку. Кроме того, записи в среде в огромной степени избыточны, поэтому при накоплении информации быстро наступает насыщение: дальнейшее восприятие не дает почти ничего нового. «Создание» классической реальности на основе избыточной информации перекликается с замечанием Витгенштейна о персонаже, который собирается купить побольше экземпляров утренней газеты, чтобы уверить себя, что все, написанное в газете, – правда{102}. Похожим образом и обстоит дело с возникновением правдивой классической реальности, с тем только отличием, что тут содержание «газеты» все же слегка варьируется от экземпляра к экземпляру в зависимости от того или иного фрагмента среды.

А разве Вигнер с друзьями не пошатнули представления о наличии классической реальности как таковой? В принципе да, но только в принципе. Все «вигнеровские штучки» исключительно уязвимы в отношении взаимодействия со средой. Даже намек на среду полностью снимает все сложности с устройством квантовой реальности, обсуждавшиеся в предыдущей главе (недаром надежды создать друзей/коллег Вигнера связаны только с их существованием внутри квантовых компьютеров). Благодаря среде, выполняющей свою работу по декогеренции, друзья и коллеги Вигнера