«Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём…» (Стивен Хокинг) .
Эта фраза звучит предельно иронично, особенно в озвучке синтезатором речи парализованного Хокинга. Действительно, одно упоминание кота Шрёдингера вызывает у многих физиков раздражение. Неужели учёные так погрязли в своём материализме, что не хотят даже слышать об альтернативных интерпретациях квантовой механики? Или они привыкли тупо решать уравнения и потому не способны поддерживать философские беседы на тему: существует ли реальность в отсутствие наблюдателя? А может, проблема кота Шрёдингера уже давно неактуальна, и тут даже говорить не о чем? Что ж, пора разобраться с пресловутым парадоксом, который одинаково нравится и критикам квантовой теории, и сторонникам квантового мистицизма. В этой статье я расскажу, в чём заключается проблема измерения и как её решают две самые распространённые интерпретации, можно ли ввести кота в квантовую суперпозицию и какие эксперименты могли бы положить конец спорам между сторонниками разных интерпретаций квантовой механики.
Кот Шрёдингера стал популярным мемом относительно недавно, хотя ему уже почти 90 лет. В 1935 году Эрвин Шрёдингер в своей переписке с Эйнштейном привёл пример мысленного эксперимента, чтобы показать абсурдность применения принципов квантовой механики на макромасштабах. Он полагал, что система постулатов квантовой теории неполна, потому что любое измерение, при котором квантовомеханическая система взаимодействует с макроскопическим объектом, приводит к парадоксу. Шрёдингер, как и Эйнштейн, скептически относился к квантовой неопределённости и пытался найти альтернативные объяснения необычным свойствам частиц, несмотря на то, что сам был автором знаменитого уравнения волновой функции, за которое он в 1933 г. получил Нобелевскую премию. Позже Шрёдингер ещё неоднократно критиковал вероятностную интерпретацию квантовой механики Макса Борна и даже первым высказал на одной из своих лекций идею, что все возможные состояния из волновой функции реализуется, но в разных мирах.
Но давайте дадим уже слово самому Шрёдингеру. Обсуждая с Эйнштейном физический смысл волновой функции и возможность распространения законов квантовой механики на макроскопические объекты, он пишет:
«Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот [в правильном переводе с немецкого – кошка] заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях»
Эрвин Шрёдингер «Текущая ситуация в квантовой механике» (1935)
Итак, по совету Шрёдингера мы поместили кота в герметичный стальной ящик, в котором есть атом радиоактивного вещества с периодом полураспада 1 час, счётчик Гейгера и устройство, выделяющее яд. Радиоактивный распад – процесс вероятностный. Если он произойдёт, сработает счётчик Гейгера и кот будет отравлен. Закрывая кота в ящике, мы можем лишь предсказать, что через час он с 50-процентной вероятностью будет жив и 50-процентной вероятностью – мёртв. Если описать эту ситуацию с точки зрения квантовой теории, кот будет находиться в двух состояниях одновременно (суперпозиция «и жив, и мёртв»), пока наблюдатель не откроет ящик. Согласно копенгагенской интерпретации, при измерении происходит необратимый коллапс волновой функции, то есть суперпозиция «и жив, и мёртв» переходит одно из двух смешанных состояний. Вопрос в том, когда именно происходит это измерение: при срабатывании счётчика Гейгера, в момент запутывания его с котом, когда наблюдатель открывает ящик, или когда информация о его содержимом осознаётся мозгом наблюдателя? Другими словами, где проходит срез Гейзенберга, отделяющий макромир от микромира?
Копенгагенская школа квантовой механики во главе с Нильсом Бором оставила этот вопрос без ответа. Мол, не нужно заниматься философией, уравнение Шрёдингера и без того прекрасно работает. Однако в 1932 г. Джон фон Нейман всё-таки разобрал проблему более детально в своей книге «Математические основы квантовой механики». Суть его рассуждений сводится к тому, что квантовая механика предсказывает вероятности различных исходов эксперимента, но не определяет, кого считать наблюдателем. Математика квантовой механики позволяет поместить коллапс волновой функции в любом месте причинно-следственной цепочки от измерительного прибора до «субъективного восприятия» эксперимента наблюдателем. При отсутствии наблюдателя всю физическую Вселенную можно описать единой волновой функцией. Но в присутствии наблюдателя волновая функция коллапсирует, проявляя только одно из множества возможных состояний частицы.
Если придерживаться ортодоксальной копенгагенской интерпретации, как её понимали отцы-основатели квантовой механики, можно прийти к выводу, что квантовая механика полностью субъективна, а объективной реальности не существует. Действительно, волновая функция – это знание наблюдателя о квантовой системе, а коллапс волновой функции – субъективное обновление вероятностей при получении наблюдателем новых данных. Чем больше частиц запутаны между собой, тем более классическим становится поведение системы. Однако квантовые свойства никогда не пропадают полностью, они просто становятся слишком слабыми и неразличимыми на макромасштабах. А значит, любые макроскопические объекты, включая людей, могут находится в суперпозиции с точки зрения других людей.
В 1961 г. Юджин Вигнер усложнил эксперимент Шрёдингера добавлением ещё одного персонажа – друга. Допустим, друг Вигнера и ящик с котом находятся в изолированной лаборатории. Друг Вигнера – это наблюдатель, а сам Вигнер – наблюдатель за наблюдателем, который смотрит снаружи лаборатории. Тогда, если друг открывает коробку и запутывается с её содержимым, то для Вигнера он сам будет находиться в суперпозиции состояний «увидел живого кота» и «увидел мёртвого кота» до тех пор, пока не сообщит о результате. И эту цепочку можно продолжать дальше, ведь над каждым наблюдателем всегда можно поставить другого наблюдателя. Если же убрать всех наблюдателей, реальность исчезнет? Поначалу Вигнер всерьёз полагал, что да. В результате появилась так называемая интерпретация фон Неймана-Вигнера, которую можно резюмировать следующим образом:
«Ключевая особенность атомной физики заключается в том, что человек-наблюдатель необходим не только для наблюдения за свойствами объекта, но даже для определения этих свойств» (Фритьоф Капра)
«Правила квантовой механики верны, но есть только одна система, которую
можно рассматривать с помощью квантовой механики, а именно – весь материальный мир. Существуют внешние наблюдатели, которых нельзя рассматривать в рамках квантовой механики, а именно – человеческий (и, возможно, животный) разум, который выполняет измерения в мозге, вызывая коллапс волновой функции» (Цви Шрейбер, «Девять жизней кота Шрёдингера»)
Иначе говоря, для коллапса волновой функции необходимо сознание наблюдателя. Именно оно является той демаркационной линией в процессе измерения, позволяющей коту стать живым или мёртвым. Соответственно разум наблюдателя и есть единственный настоящий измерительный прибор, без него материальный мир находится в суперпозиции всех возможных состояний. Вот только остаётся непонятным, по словам Джона Белла, «где наблюдатель начинается и где заканчивается». .
«Ждала ли волновая функция измерения в течение тысяч миллионов лет, пока не появилось одноклеточное живое существо? Или ей нужно было еще немного подождать, пока не придёт какой-нибудь высококвалифицированный измеритель с докторской степенью?». (Джон Белл)
Неудивительно, что большинство физиков эту интерпретацию не приняли. Впоследствии Вигнер и сам отказался от своей интерпретации, поскольку она была прямым путём к солипсизму, и признал ошибочной саму идею рассматривать макроскопические объекты как изолированные системы, наделяя их квантовыми свойствами. Тем не менее, популяризаторам квантового мистицизма интерпретация фон Неймана-Вигнера так понравилась, что её проповедуют до сих пор. Одни утверждают, что наблюдатель может сам решать судьбу кота, то есть выбирать, какой из вариантов развития событий реализуется при вскрытии ящика. Другие идут ещё дальше и заявляют, что реальность вообще существует только в сознании наблюдателя. При этом обычно не уточняется, кого считать наблюдателем, а кого – нет. Что будет, если мы повесим камеру наблюдения, но не станем просматривать плёнку? А если наблюдатель получит один из двух сигналов от счётчика Гейгера, но не будет знать, что этот сигнал означает? И не является ли наблюдателем сам кот Шрёдингера? А если да, где же лежит граница между одушевлённым и неодушевлённым, разумным и неразумным.
Некоторые мистики наделяют сознанием всё, вплоть до элементарных частиц. Тогда получается красивая идея из восточной философии, в соответствии с которой люди, животные, растения, молекулы и атомы являются фрактально-голографическими копиями одного-единственного Наблюдателя – Бога, Высшего Разума или Брахмана, а материальный мир – Его грёза, обретающая свою форму из суперпозиции только по Его воле. Неужели квантовая механика подтверждает субъективный идеализм?
Увы, нам придётся разочаровать философов-идеалистов и квантовых мистиков. Существование Бога наука опровергнуть не может, а вот существование кота в суперпозиции – легко. Конечно, эксперимент с котом Шрёдингера никто ни разу не проводил, и причина тому отнюдь не в протестах защитников животных. Просто реального кота ввести в когерентную суперпозицию невозможно, потому что он большой и тёплый. Чтобы ввести в чистое квантовое состояние макроскопический объект, его нужно полностью изолировать от окружающего мира. Это значит поместить в идеальный вакуум и охладить почти до абсолютного нуля (-273°С), иначе объект будет передавать информацию о себе через инфракрасное излучение. Что произойдёт в результате с котом, догадаться нетрудно. Впрочем, такое удавалось проделать лишь с отдельными молекулами из нескольких сотен атомов и с кубитами квантового компьютера (специалисты по квантовым вычислениям называют суперпозицию одинаковых значений кубитов «кошачьм» состоянием – cat state). Даже если рассматривать кота как совокупность огромного количества частиц, он запутается с радиоактивным веществом и счётчиком Гейгера задолго до того, как экспериментатор откроет ящик.
Процесс запутывания квантовомеханической системы с окружающей средой называется декогеренцией. Теория декогеренции напрямую следует из уравнений квантовой механики, но она была сформулирована только в 1970-е гг. немецким физиком Хайнцем-Дитером Зи и детально проработана в начале 80-х гг. Эрихом Йоосом и Войцехом Зуреком. Декогеренция – это нарушение когерентности квантовомеханической системы и превращение её в классический объект вследствие взаимодействия с окружающей средой. Запутывание с одной или несколькими частицами назвать декогеренцией ещё нельзя, поскольку такое взаимодействие потенциально обратимо, но когда речь идёт о запутывании с триллионами частиц, как при взаимодействии с измерительным прибором, «распутать» его обратно уже не получится. Теория объясняет преобразование квантовых вероятностей в обычные классические вероятности и проводит условную границу между микро- и макромиром, не указывая, когда именно происходит коллапс волновой функции, и не решая проблему измерения. В связи с этим она совместима как с копенгагенской, так и с многомировой интерпретациями. На сегодняшний день это общепризнанная теория, многократно подтверждённая экспериментами. Теперь рассмотрим спорные моменты.
В современной копенгагенской интерпретации парадокс кота Шрёдингера разрешается следующим образом. В соответствии с теорией измерения фон Неймана, при измерении происходит квантовое запутывание детектора с частицей. Нестабильный атом в случайный момент распадается или не распадается на изотопы и запутывается со счётчиком Гейгера. Счётчик запутывается с механизмом, спускающим молоток, тот – с колбой для яда, и затем волна запутывания доходит до кота, который умирает или остаётся жив. По прошествии часа наблюдатель открывает ящик, и его содержимое быстро запутывается с воздухом и светом в лаборатории, а затем и с самим наблюдателем. Сознание последнего не играет в этом процессе абсолютно никакой роли, как и сознание Вигнера, до которого волна запутывания дойдёт намного раньше, чем он узнает о результате эксперимента его друга. В конце концов, живой или мёртвый кот запутается со всей остальной Вселенной, сообщив информацию о себе каждой элементарной частице. Коллапс волновой функции можно поместить на любом этапе запутывания, это ничего не меняет.
Однако проблема копенгагенской интерпретации состоит в том, что остаётся неясным, где проходит тот самый срез Гейзенберга – граница между макро- и микромиром. Любой макроскопический объект, включая наблюдателя, состоит из отдельных микроскопических частиц, с которыми измеряемая частица запутывается по очереди. Если каждое отдельное взаимодействие частиц не приводит к коллапсу волновой функции, тогда сколько частиц должно запутаться, чтобы этот коллапс произошёл? Можно определить макроскопический объект как систему, в которой частицы запутаны между собой больше, чем с частицами вне этой системы. Но тогда постулат о коллапсе волновой функции несовместим с редукционизмом, поскольку предполагает наличие у макроскопических объектов эмерджентных свойств, несводимых к сумме свойств составляющих их частиц. Аналогичная проблема возникает, если считать, что коллапс волновой функции субъективен и происходит только в сознании наблюдателя. Наблюдатель узнаёт о результате измерения посредством электромагнитных или звуковых сигналов от детектора, которые достигают органов чувств, преобразуются в электрические импульсы и по очереди активируют множество нейронов. Возбуждение какого нейрона можно считать моментом осознания результата измерения? Это происходит в зрительной или префронтальной коре? А если наблюдатель неправильно обработает сигнал из-за помех?
Ещё в копенгагенской интерпретации коллапс волновой функции происходит моментально, что нарушает запрет на сверхсветовую передачу информации, и непонятно, куда деваются альтернативные состояния квантовой системы. Если они исчезают, процесс измерения оказывается необратимым, что нарушает правило унитарности операторов и принцип сохранения информации. Если нет, тогда квантовозапутанные состояния теоретически можно распутать, как в эксперименте с квантовым ластиком, но на практике это невозможно из-за огромного количества частиц в макроскопических системах. В таком случае приходится признавать «наблюдателем» и системой отсчёта каждую элементарную частицу, «измерением» — каждое взаимодействие частиц. В результате копенгагенская интерпретация незаметно превращается в реляционную, в которой даже суперпозиция существует относительно наблюдателя, и каждый наблюдатель может описать мир по-своему.
Многомировая интерпретация, впервые предложенная в 1957 году Хью Эвереттом III, описывает ситуацию с котом Шрёдингера несколько иначе. Пока ящик полностью изолирован, его содержимое с точки зрения наблюдателя действительно находится в суперпозиции всех возможных вариантов. Но с точки зрения кота он или жив, или мёртв, просто это два разных кота в двух параллельных мирах. Когда ящик открывают, реальность снаружи тоже разделяется на две линии, в одной из которых наблюдатель увидел живого кота, а в другой – мёртвого. Каждая из двух копий наблюдателя считает свой мир единственным существующим и продолжает жить своей жизнью, и чем дальше во времени, тем сильнее эти жизни различаются. Декогеренция в многомировой интерпретации происходит плавно и фактически означает, что после разделения две линии развития событий не пересекаются. Поскольку квантовые измерения случаются довольно часто, Вселенная непрерывно разветвляется, порождая бесчисленное множество параллельных миров. В совокупности их можно описать единой волновой функцией Вселенной, которая никогда не коллапсирует, а просто эволюционирует согласно детерминистическому уравнению Шрёдингера.
Несмотря на хитроумную схему ветвления Вселенной, многомировая интерпретация даёт очень простое объяснение, позволяющее покончить с проблемами наблюдателя и коллапса волновой функции. Благодаря этому число её сторонников постепенно растёт. Её поддерживают такие известные учёные, как Дэвид Дойч, Шон Кэрролл, Скотт Ааронсон, Леонард Сасскинд, Митио Каку, Макс Тегмарк, Мартин Рис и др. Критики говорят, что многомировая интерпретация является не научной гипотезой, а скорее религиозной верой, которая нефальсифицируема, плодит лишние сущности и заметает неудобные вопросы вроде «тонкой настройки» под ковёр Мультивёрса, где их в принципе невозможно решить. В ответ последователи Эверетта утверждают, что ММИ является прямым прочтением уравнений квантовой механики, не требующим излишних усложнений вроде коллапса волновой функции и субъективного перераспределения вероятностей. Но это не совсем так, поскольку уравнение Шредингера само по себе не объясняет, почему мы получаем определенные результаты в квантовых измерениях. Сторонникам ММИ приходится отвечать, почему наблюдатель осознаёт себя только в одном варианте вселенной, и вводить собственные усложнения вроде меры или «толщины» ветвей параллельных вселенных, соответствующей распределению вероятностей по правилу Борна.
Справедливости ради следует отметить, что разнообразие интерпретаций квантовой механики не ограничивается копенгагенской и многомировой. Их уже около двадцати. Есть, например, теория волны-пилота Луи де Бройля-Бома, которая позволяет объяснить квантовую механику в рамках классического детерминизма с нелокальными скрытыми параметрами (частица всегда локализована в пространстве, а порождаемая ею волна – нет). Есть объективная редукция в интерпретациях Диози-Пенроуза и Гирарди-Римини-Вебера, связывающая коллапс волновой функции с эффектами микрогравитации. Есть граничащее с солипсизмом квантовое байесианство (кьюбизм), придающее квантовым вероятностям субъективный характер. Есть интерпретация Войцеха Зурека, объясняющая квантовое измерение в терминах теории эволюции – квантовый дарвинизм. Есть уже упомянутая нами реляционная интерпретация Карло Ровелли, рассматривающая квантовую механику как описание физических систем относительно других физических систем. Наконец, есть гипотеза супердетерминизма, в которой все результаты экспериментов и все решения экспериментатора предопределены ещё до Большого взрыва. Но все эти интерпретации гораздо менее популярны, чем копенгагенская и многомировая, и у каждой из них есть свои проблемы, препятствующие их широкому распространению.
Так есть ли шанс, что учёные наконец придут к согласию в понимании принципов квантовой механики и признают какую-нибудь интерпретацию единственно верной, а остальные отбросят за ненадобностью? Возможно, если получится реализовать мысленный эксперимент Шрёдингера на практике. За судьбу кота можно не переживать: ввести его при жизни в квантовую суперпозицию физически невозможно. Но что-нибудь поменьше и попроще – вполне. Например, вирус. Так, физики из института квантовой оптики Макса Планка и Института фотонных наук под руководством Ориола Ромеро-Исарта собираются поместить в суперпозицию двух квантовых состояний вирус табачной мозаики, который имеет форму стержня 1 мкм в длину и 50 нм в диаметре. Его нужно поймать в магнитную ловушку, созданную в вакууме лазером, замедлить до самого низкого энергетического состояния и затем «ударить» по нему фотоном. Теоретически вирус окажется в суперпозиции состояний движения и неподвижности, пока его не измерят. Если эксперимент пройдёт успешно, это будет первый случай пребывания биологического объекта в квантово-когерентном состоянии.
Отсюда уже недалеко до реализации модифицированного опыта Юнга, предложенного в 1985 г. Дэвидом Дойчем для проверки многомировой интерпретации: что будет, если пропустить через две щели самого наблюдателя? Например, микроскопический компьютер с искусственным интеллектом? Согласно копенгагенской интерпретации, он либо зафиксирует прохождение через одну щель, либо информация о его траектории сотрётся. Согласно многомировой интерпретации, наблюдатель запомнит прохождение через обе щели, потому что разделившиеся миры вновь соединятся. Также Дойч утверждает, что интерпретации дают разные предсказания в эксперименте «друг Вигнера», если лаборатория, где друг Вигнера проводит измерение, будет полностью изолирована от окружающего мира. Согласно многомировой интерпретации, в результате измерения ящика с котом друг Вигнера окажется в макроскопической суперпозиции, увидев в каждой ветви реальности свой результат. Тогда Вигнер сможет интерферировать эти две ветви и проверить, действительно ли они находятся в суперпозиции, или схлопнулись в одну ветвь, как предсказывает копенгагенская интерпретация.
Таким образом, копенгагенская и многомировая интерпретации используют один и тот же математический аппарат квантовой теории и в подавляющем большинстве случаев дают одинаковые предсказания, поэтому их можно считать двумя сторонами одной монеты или двумя дополнительными описаниями одного и того же мира. Пока не реализованы эксперименты, которые могли бы подтвердить предсказания одной из них и опровергнуть предсказания другой, обе интерпретации остаются гипотезами. Какую из них выбрать – вопрос скорее философский, чем научный. Это почти что дело вкуса: кому-то больше нравится верить, что мир существует только в его сознании и содержит в себе долю нередуцируемой случайности, а кто-то предпочитает верить в объективную реальность, полностью детерминированную и включающую в себя все возможные варианты развития событий, но в которой мы не выбираем, кем из двойников и в какой версии вселенной осознаем себя после каждого измерения.
В любом случае ни одна из интерпретаций не решает проблему измерения сама по себе, а отсылает к другим научным дисциплинам. Копенгагенская интерпретация требует объяснения, на каком этапе у макрообъекта появляются эмерджентные свойства, не сводимые к свойствам частиц, из которых он состоит. Это вопрос теории систем и синергетики. Многомировая интерпретация требует объяснения, как происходит расщепление сознания наблюдателя на копии. Это вопрос квантовой биологии, теории принятия решений и философии сознания. В остальном противоречие между копенганенской и многомировой интерпретациями сводится к вечному спору о природе времени между презентистами, признающими реальным только настоящий момент, и этерналистами, постулирующими вечное существование всего прошлого и будущего. Единственное, в чём сторонники разных интерпретаций сходятся во мнениях, так это в том, что сознание наблюдателя не управляет реальностью и не влияет на поведение частиц силой мысли, как утверждают квантовые мистики. Подробнее я уже писал об этом в статье «Эффект наблюдателя».
Если вам интересно моё мнение, то я как модальный реалист делаю ставку на многомировую интерпретацию Эверетта. Она полностью удовлетворяет критерию Нильса Бора, то есть является достаточно безумной, чтобы быть истинной. Но главное не это. Многомировая интерпретация требует признать всего одну безумную идею о параллельных мирах, чтобы одним махом разрешить все остальные парадоксы квантовой механики. Согласившись с её выводами, можно смело выбросить кота Шрёдингера, друга Вигнера, носки Бертлмана и другие квантовые парадоксы на свалку истории. В свете многомировой интерпретации реальность снова становится объективной, детерминированной и локальной, какой физики видели её 100 лет назад. Правда, детерминизм просматривается только «с высоты птичьего полёта» (bird’s view), если охватить сразу все ветви параллельных вселенных. А с точки зрения наблюдателя (frog’s view), «встроенного» в одну из ветвей, квантовые события случайны, хотя и статистически подчинены правилу Борна.
Для наблюдателя не будет ошибкой сказать, что квантовая механика субъективна, и принять копенгагенскую интерпретацию. Собственно, относительность измерений в зависимости от выбранной наблюдателем системы отсчёта постулируется и в СТО. Но если наблюдатель всё же верит в существование объективной реальности, по крайней мере самих законов физики (в противном случае об интерпретациях говорить бессмысленно), ему придётся признать равноправие всех систем отсчёта и точек зрения всех других наблюдателей. А это – прямой путь к многомировой интерпретации Эверетта, в которой все возможные состояния нашего мира реально существуют. Да, она избыточна и пока не обладает большей предсказательной силой, чем копенгагенская интерпретация. Возможно, последней вполне достаточно для объяснения всех проведённых на сегодняшний день квантовомеханических экспериментов. Но, судя по всему, такие проблемы, как «тонкая настройка» физических констант, необратимость времени, низкая энтропия ранней Вселенной, рост сложности и эволюция репликаторов, невозможно объяснить без ссылок на контрфактуалы – события, которые могли произойти, но не произошли. Они являются предметом разрабатываемой Дэвидом Дойчем обобщённой теории конструкторов. В конце концов, ММИ тоже не окончательна и является приближением будущей теории квантовой гравитации.
