Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Шрифт:
Итак, если квантовая механика действительно полна, по крайней мере в терминах локальных свойств, должны ли мы действительно отказаться от причинности? Был предложен ряд альтернатив. Одним из наиболее радикальных — и поэтому чрезвычайно притягательных если не для ученых, то для журналистов — предложений была неудачно названная интерпретация «множественных миров», которую в несколько темной форме предложил непрерывно куривший, разъезжавший с гудками на «кадиллаке» мультимиллионер и аналитик ядерных исследований Хью Эверетт (1930-82) в 1957 г. в своей докторской диссертации. Центральной, как бы наивной и с виду безвредной идеей в предложении Эверетта, была идея, которую презрел Бор: идея о том, что уравнение Шредингера универсально справедливо и контролирует эволюцию волновой функции, даже когда
В замке, захватившем воображение публики, все вероятности, выражаемые волновой функцией, действительно реализуются (так, что кошка действительно и жива и мертва), но когда производится измерение и состояние обнаруживается, эта реализация расщепляет Вселенную, и из бесконечного числа параллельных Вселенных (одни с мертвой кошкой, другие с живой) выбирается только одна. По существу, взаимодействие измерительного прибора с мозгом наблюдателя выбирает ответвление, по которому Вселенная будет двигаться. Вселенную расщепляет каждое наблюдение, так что огромное и растущее множество параллельных миров в разных мозгах следует различными путями. Трудно представить себе более расточительную интерпретацию, но поскольку неприязнь не является инструментом научного отбора, некоторые принимают эту интерпретацию всерьез. В отличие от теоремы Белла, по-видимому, не существует способа проверить, действительно ли ум вовлекается в акт наблюдения, если не считать одного, однажды предложенного эксперимента. Поскольку этот эксперимент требует, чтобы наблюдатель покончил с собой, до его осуществления дело пока не дошло.
Мы (за исключением закоренелых копенгагенцев) должны отличать безупречную, по-видимому, идею Эверетта о том, что уравнение Шредингера приложимо к макроскопическим объектам, от интерпретаций, построенных на этой точке зрения, так что вы должны быть очень осторожны, определяя, какой аспект интерпретации «множественных миров» вы имеете в виду, когда просите кого-нибудь сообщить, является ли он многомирцем. Я думаю, честно будет признать, что большинство физиков сегодня принимает «постную» версию интерпретации «множественных миров», гласящую лишь об универсальности уравнения Шредингера, но некоторые присоединяются и к более субъективным оттенкам, которые добавились к этой интерпретации. «Универсально шредингеровский взгляд» противоречит копенгагенской интерпретации, которая утверждает неприятную мысль, что квантовая механика в чем-то неверна, когда ее прилагают к макроскопическим ансамблям атомов, которые мы называем измерительными инструментами. Эта позиция, по-видимому, является чрезмерно капитулянтской, и трудно понять, как квантовая механика может постепенно слепнуть или даже резко переключаться на другую теорию, когда число атомов, входящих в систему, возрастает. Определенно верно, что макроскопические объекты в очень хорошем приближении ведут себя в соответствии с классической физикой: но мы знаем, что это поведение является просто проявлением квантовой механики в приложении к большому числу атомов.
Давайте задержимся на «универсально шредингеровском взгляде» и посмотрим на его проблемы и следствия. Мы остаемся с возможностью того, что простейший сценарий адекватен: квантовая механика полна, локальные скрытые параметры отсутствуют, и она с исчерпывающей полнотой описывает тела, состоящие из любого числа частиц. Коллапс волновой функции, таинственная компонента копенгагенской интерпретации, тоже оказывается за бортом, так как универсальное уравнение Шредингера должно будет каким-то образом учитывать все изменения, которым подвергается волновая функция, включая видимый коллапс, происходящий при измерении. Как тогда, при этих условиях, сможем мы сохранить причинность и детерминизм в рамках квантовой механики и, в частности, в процессе измерения?
Успех декогеренции в устранении квантово-механической интерференции между живой и мертвой версиями кошки заставляет предположить, что и здесь декогеренция является тем рыцарем в белых доспехах, который нам необходим. Живая или мертвая кошка есть сложное показание стрелки. Раз это так, давайте упростим проблему, вообразив примитивный измерительный прибор, состоящий из мячика, покоящегося на вершине бугра между двумя ямами. Легчайший толчок отправит мячик в одну из двух ям, и наблюдая, в которой из ям мячик приземлился, мы можем определить, получил ли мячик легкий толчок налево или направо (рис. 7.13). Этот прибор является усилителем толчков, и это сущностная характеристика всех измерительных приборов: они все являются усилителями толчков. Если нам хочется, мы можем приклеить в левой яме этикетку «мертвая кошка», а в правой «живая кошка». Кошка является тогда усилителем положения пули: я оставляю для вас задачу перевода с языка шредингеровской кошки-индикатора на язык стилизованного упрощения «мячик на бугре».
Рис. 7.13.«Бугор-усилитель», который кратко иллюстрирует проблему измерений в квантовой теории. Мячик на вершине между двумя ямами находится в состоянии «готовности». Если бугор посылает его направо, то в отсутствие трения он будет кататься взад и вперед между двумя ямами, и мы будем обнаруживать его в левой яме так же часто, как в правой. Однако, если присутствует трение (символизирующее декогеренцию и указанное столбиками справа), мячик остановится в правой яме, и мы получаем жизнеспособный измерительный прибор.
Как мы упоминали ранее, это прибор бесполезен, поскольку мячик, который свалился в левую яму, подскочит по противоположной стенке, снова упадет и перепрыгнет бугор. Мячик остановится в яме, в которую упал сначала, только если существует трение, рассеивающее его энергию. Именно трение ловит мячик в его яме и дает нам возможность проверить на досуге показание нашего прибора. Теперь у нас есть жизнеспособный измерительный прибор, и жизнеспособным его делает трение, то есть взаимодействие системы с ее окружением.
Трение является аналогом декогеренции. (Это утверждение требует акта веры с вашей стороны: я снова пытаюсь скорее интерпретировать математические формулы, чем оправдывать каждый шаг.) Мы можем думать о катящемся шаре как о чистой частице Шредингера, подчиняющейся контролю его уравнения. Начальным состоянием измерительного прибора является равновесие шара на вершине бугра; мы назовем это состояние готовностью прибора. Предположим, что частица, состояние которой определяет детектор, находится в состоянии, являющемся суперпозицией движения влево, которое мы будем называть частица, движущаяся влево, и движения вправо, которое мы обозначим частица, движущаяся вправо,тогда до определения состояния системы:
Начальное состояние = готовность прибора x (частица, движущаяся влево + частица, движущаяся вправо).
Когда частица ударяет по детектору, мячик переходит в суперпозицию положений в левой и правой яме, что дает:
Конечное состояние = мячик слева + мячик справа.
Однако, поскольку мячик связан с окружением посредством трения, происходит очень быстрая декогеренция этих двух состояний, и мы никогда не наблюдаем никакой интерференции между ними: фактически мячик находится либо на правой стороне, либо на левой — суперпозиция распалась на два, в сущности классических, состояния.
Существует еще вопрос о том, где находится мячик на самом деле, в правой или в левой яме? Нам нужно вспомнить, что в состоянии готовностион деликатно уравновешен на вершине бугра так, что может скатиться в любую сторону. Это просто другой способ сказать, что детектор очень чувствительный и не имеет предпочтений. Теперь надо вспомнить, что и сам мячик не полностью изолирован от своего окружения, а подвергается вибрации, ударам молекул воздуха, легкому прикосновению случайно залетевшего фотона, и так далее. Когда частица, состояние которой определяется, ударяет по мячику и побуждает его скатиться в ту или иную сторону, сочетание воздействий, запускающих движение в обе стороны с равной вероятностью, и локальное возмущение, которое может действовать в любом направлении, запускают движение в определенную сторону. В результате суперпозиция развивается в сторону скатывания мячика лишь в одну из ямок, где его немедленно ловит декогеренция.