2.2. «Проблема измерений» и основные интерпретации квантовой механики
Рассмотрение «трудных» проблем науки начнём с самой большой загадки современной физики – загадки квантовой реальности и её связи с воспринимаемым классическим миром.
В квантовой механике, несмотря на концептуальную сложность, по существу, полностью отсутствуют гипотетические теоретические построения. С самого начала она строилась как феноменологическая теория, описывающая реальные экспериментальные факты.
Математический аппарат, использующийся для такого описания, может быть разным. Это и матричная механика Гейзенберга, и волновое уравнение Шрёдингера, и фейнмановские интегралы по путям или, как принято в западной литературе, по историям. Но в каждом подходе суть остаётся одна – предлагается более или менее удобный алгоритм расчёта экспериментальных результатов, но ничего не говорится о том, что же представляет собой квантовый объект. Конечно, и в классической физике мы не знаем, что такое электрон, но, во всяком случае, уверены, что в любой момент времени можем измерить все его характеристики с технически доступной степенью точности и предсказать его будущее поведение.
В квантовой механике электрон лишается и этой определённости. В общепринятой интерпретации считается, что до момента измерения он вообще не обладает никакими конкретными характеристиками, а в процессе измерений может получить с определённой вероятностью и точностью, принципиально ограниченной соотношением неопределённости, некоторые значения этих величин из возможного спектра, задаваемого уравнением Шрёдингера.
Изначально квантовая механика создавалась как теория, описывающая поведение микрообъектов – электронов, фотонов, атомов. Но дальнейшее развитие показало, что не существует никаких принципиальных ограничений на размеры и сложность квантовых систем. В принципе, квантовая механика может быть применена и ко всей Вселенной в целом.
По существу, всё, что мы знаем о квантовом мире, представлено в волновой функции, подчиняющейся уравнению Шрёдингера. Это уравнение линейно и поэтому не предполагает различия между прошлым, настоящим и будущим. В концептуальном плане ситуация выглядит так, как будто существует некий заданный многоальтернативный непроявленный (в классическом смысле) квантовый мир и каким-то образом проявляющаяся из него безальтернативная эволюционирующая Вселенная.
В вопросе, каким же образом, и заключается фактически «проблема измерений». Ответ на этот вопрос в большой степени зависит от понимания того, что скрыто за формулами, описывающими квантово-механические эксперименты, и что представляет собой квантовая реальность.
Действительно, если в классической физике математическое описание всегда выстраивалось вокруг объектов, допускающих непосредственное или опосредованное чувственное восприятие, и никакой специальной интерпретации теорий при этом не требовалось, то в квантовой механике физика впервые столкнулась с ситуацией, когда эффективный математический аппарат, с высокой точностью описывающий экспериментальные результаты, оказался не привязан ни к какому реальному в классическом смысле объекту. Это привело к необходимости как-то трактовать используемые математические образы. В результате возникло множество интерпретаций квантовой механики, по-разному решающих проблему измерений. Однако до настоящего времени ни одна из этих интерпретацией не является общепризнанной и, на наш взгляд, не объясняет удовлетворительно взаимоотношения классического и квантового мира.
Исторически первой была так называемая копенгагенская интерпретация, сформулированная в 1927 г. Н. Бором, В. Гейзенбергом и другими создателями квантовой механики, в которой утверждалось, что:
• состояние изолированной системы описывается волновой функцией, которая может быть истолкована как волна вероятностей (1);
• вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним, и в этом смысле теория является полной (2);
• в промежутке между измерениями волновая функция любой системы эволюционирует линейно в соответствии с уравнением Шрёдингера (3);
• во время измерения волновая функция претерпевает скачкообразное изменение, переходя в состояние, соответствующее результату измерений (4);
• квантовая механика является теорией единичной системы (5).
Утверждение (4), называемое постулатом редукции, или коллапсом волновой функции, не следует из уравнения Шрёдингера, а является эмпирическим обобщением наблюдаемого безальтернативного отражения квантовой реальности в классическом мире.
А вот что представляет собой сама квантовая реальность, копенгагенцы представляли по-разному. Бор считал, что вообще нет никакого квантового мира, а существует только абстрактное квантово-механическое описание наблюдаемой реальности. Гейзенберг же полагал, что квантовый мир представляет некую «полуреальность», выступающую как потенция к осуществлению наблюдаемого мира, как бытие в возможности. То есть, в терминах данной работы, квантовый мир – это информационная реальность, содержащая генетическую информацию материальной Вселенной или множества возможных вселенных.
Фактически в копенгагенской интерпретации постулат редукции заключает в себе «проблему измерений», так как оставляет без ответа вопрос: когда и по какой причине происходит коллапс волновой функции. Решение этой проблемы копенгагенцы видели в привлечении наблюдателя, осознающего результат измерений и тем самым вызывающего переход системы в безальтернативное состояние.
При этом, однако, субъективный фактор они не признавали [Гейзенберг, 1989], что придавало наблюдателю неясный, мистический характер.
Концептуальная непоследовательность копенгагенской интерпретации всегда вызывала неудовлетворённость физиков, пытающихся осмыслить квантовую механику. И это породило множество других интерпретаций, отвергающих постулат редукции волновой функции.
Одной из наиболее естественных является ансамблевая интерпретация, в которой волновая функция связывается не с состоянием отдельной системы, а с состоянием коллектива идентичных систем, находящихся в одинаковой макрообстановке. В таком подходе проблема измерений полностью снимается, так как речь идёт уже не о выборе альтернатив для индивидуальной системы, а лишь о вероятности наблюдать представителя ансамбля с определёнными характеристиками.
Однако ансамблевая идеология, жёстко привязанная к экспериментам с коллективами микросистем, не может быть применена к опытам с одиночными микрообъектами и к большим индивидуальным системам, что приходит в противоречие с пониманием всеобщности квантово-механического описания и с современными экспериментами над индивидуальными системами.
В принципе, как полагал А. Эйнштейн, статистический характер экспериментов в квантовой механике можно было бы объяснить и с традиционных позиций классической физики, если предположить, что квантовые объекты вполне реальны в классическом смысле, но обладают набором характеристик, недоступных для наблюдения – так называемыми скрытыми параметрами.
Однако в опытах по проверке неравенств Белла, проведённых Аланом Аспектом [Aspect, 1981], удалось экспериментально показать, что локальные теории со скрытыми параметрами невозможны. Впрочем, результаты опытов Аспекта не запрещают существование нелокальных теорий, предлагавшихся Луи де Бройлем и Дэвидом Бомом.
В теории Бома волновая функция рассматривается как отдельная реальность, которая определяет причинное движение классических частиц, обладающих определёнными значениями координат и импульсов. При этом воздействие, которое она оказывает на частицу, нелокально, так как оно зависит от состояния волновой функции во всём пространстве. По предположению Бома, такой механизм может существовать, если каждая частица имеет «сложную и тонкую внутреннюю структуру», обеспечивающую способность реагировать на информацию, задаваемую волновой функцией. Другими словами, частица представляет собой информационную систему, способную воспринимать и реализовывать в поведении управляющую информацию, существующую в квантовой реальности. Скрытыми параметрами в теории Бома являются неконтролируемые значения начальных координат и импульсов.
При такой интерпретации квантовой механики никакой проблемы измерений вообще не возникает, так как реальность в измерениях не творится, а проявляется.
Ещё одна возможность решить «проблему измерений» связана с поисками физического механизма, способствующего объективному коллапсу волновой функции. По мнению Р. Пенроуза [Пенроуз, 2005], таким механизмом могли бы стать гравитационные эффекты, происходящие на микроуровне.
Другой механизм предлагается в теории Жирарди – Римини – Вебера [Ghirardi, 1985]. Они предположили, что волновая функция отдельной частицы может очень редко (раз в миллиард лет) испытывать спонтанный коллапс. Но этого достаточно, чтобы инициировать практически непрерывный коллапс макроскопических систем.
К сожалению, все предлагаемые механизмы коллапса волновой функции носят чисто гипотетический характер и не имеют никакой экспериментальной поддержки.
В 1957 г. Хью Эверетт III предложил самый радикальный способ решить «проблему измерений» – полностью отказаться от постулата редукции.
Его концепция «относительных состояний» [Everett, 1957] предполагала, в отличие от копенгагенской интерпретации, последовательное описание процесса измерений, опирающееся только на уравнение Шрёдингера.
В этом подходе измерительный прибор и наблюдатель теряли свой особый «классический» статус и рассматривались как подсистемы, описываемые волновыми функциями, подчиняющимися уравнению Шрёдингера. В результате взаимодействия волновые функции подсистем коррелировали (запутывались) и волновая функция полной системы, включающей измеряемый объект, измерительный прибор и наблюдателя, переходила в состояние, соответствующее всем возможным альтернативам результата измерений. При этом оказывалось, что члены этой суперпозиции при дальнейших измерениях не взаимодействовали, а порождали новые ветви волновых функций.
Сам Эверетт считал, что «с точки зрения теории все элементы суперпозиции (все «ветви») «реальны» и ни одна из них не более «реальна», чем все остальные».
Не вызвавшая особого интереса и почти забытая идея Эверетта получила второе дыхание после работ Брайса Де Витта и Джона Уилера, приобретя звучное название – многомировая интерпретация квантовой механики.
В этой интерпретации признаётся, что уравнение Шрёдингера – это не просто формализм, адекватно описывающий эксперимент, как считал Бор, а теория, в которой проявляется существование квантовой реальности. При этом волновая функция сколь угодно больших систем линейно преобразуется в соответствии с уравнением Шрёдингера, учитывая все взаимодействия, происходящие между элементами системы и отражая всё многообразие возникающих альтернативных состояний.
Однако в многомировой интерпретации при измерении не происходит никакого исчезновения альтернатив (коллапса волновой функции), а все альтернативы признаются реально существующими и порождающими в виде проекций безальтернативные классические реальности.
В некоторых вариантах многомировой интерпретации предполагается, что некое единое сознание наблюдателя (сверхсознание) способно воспринимать все эти проекции, но каждое восприятие существует изолированно от другого, и в этом смысле в сознании порождается множественность классических миров. При таком взгляде говорят о менталистском варианте множественности миров или об интерпретации многих разумов (many minds interpretation), в отличие от объективистского варианта, в котором ветвится не сознание, а сами классические миры вместе с населяющими их наблюдателями [Sanders, 1996].
Необходимо подчеркнуть, что в этих двух вариантах реализуются принципиально разные отношения к сознанию. В менталистском подходе принимается идея дуализма материи и сознания, в которой сознание, являясь нефизической сущностью, не подчиняется уравнению Шрёдингера и поэтому способно самостоятельно творить свои независимые безальтернативные реальности.
В объективистском подходе используется физикалистское понимание сознания, при котором постулируется однозначное соответствие между физическим состоянием мозга и состоянием сознания. Поэтому здесь правомерно рассматривать наблюдателя как квантовую систему, подчиняющуюся уравнению Шрёдингера. Важно при этом в рассуждениях быть последовательным и придерживаться одного подхода – менталистского или объективистского. По-видимому, сам Эверетт не был убеждён, что наблюдатель, обладающий сознанием, может рассматриваться как квантово-механическая система. Поэтому он сформулировал «абстрактную модель наблюдателя, которая в пределах теории может трактоваться как физическая система» [Everett, 1957].
Такого наблюдателя Эверетт представлял в виде «автоматической машины», обладающей всеми основными составляющими информационной системы – рецепторами, памятью, тезаурусом, блоком, обрабатывающим информацию и «принимающим решения о будущих экспериментах». В современной терминологии такой наблюдатель, по существу, представляет собой обычное компьютерное и программное обеспечение экспериментальных исследований.
Многомировая интерпретация решила главную проблему измерений – сделала ненужным коллапс волновой функции. Но в ней возникла другая трудность – в этой интерпретации нет ничего объективно вероятностного, так как все альтернативы, как утверждал Эверетт и его последователи, одинаково реальны и все они реализуются. Вероятность может появиться только на субъективном уровне, например как вероятность отдельному изолированному сознанию обнаружить себя в том или ином из возможных эвереттовских миров. При этом, чтобы получить согласие с опытом, при вычислении этой вероятности необходимо учитывать «веса» этих миров в соответствии с квантово-механической суперпозицией волновой функции. Но в чём заключается смысл «веса», остаётся неясным. В том, например, что миры могут быть одинаковыми, но некоторые из них встречаются чаще, или в том, что некоторые миры в чём-то более «настоящие»? В любом случае тезис о том, что все миры одинаково реальны, подвергается сомнению.
Можно и дальше рассматривать разнообразные варианты интерпретаций квантовой механики, но выбор между ними остаётся на уровне личных предпочтений, так как во всех интерпретациях предсказания теорий полностью согласуются со стандартным копенгагенским подходом, а возможность экспериментальной верификации отсутствует.
Однако многие физики в настоящее время предпочитают вообще не обсуждать эту тему, полагая, что проблема измерений полностью решена в рамках теории декогеренции, рассматривающей взаимодействие квантово-механической системы с окружающей средой.
Действительно, процесс измерений всегда связан со взаимодействием измеряемой системы и измерительного прибора. И если до измерения волновая функция изолированной системы могла быть представлена в виде когерентной суперпозиции собственных состояний или, как говорят, в виде чистого состояния, то в результате взаимодействия возникают квантовые корреляции, система «запутывается» с прибором и уже не может быть описана волновой функцией.
О такой системе говорят, что она декогерировала и перешла в смешанное состояние, которое можно интерпретировать как вероятностное распределение по набору чистых состояний с весами, соответствующими постулату редукции. И хотя теория декогеренции значительно проясняет смысл вероятностей в квантовой механике, никаких конкретных указаний, в какой момент и по какой причине из смеси выделяется единственное наблюдаемое состояние, теория по-прежнему не предлагает.
Большой спектр существующих интерпретаций квантовой механики позволяет сделать вывод, что физикалистский взгляд на взаимоотношения квантовой и классической реальности оказывается явно недостаточным.
Именно поэтому многие интерпретации вынуждены апеллировать к взаимодействиям с информационной реальностью. В копенгагенской и многомировой интерпретациях такое взаимодействие связано с наблюдателем, который способен каким-то образом вызывать коллапс волновой функции или воспринимать раздельно все возможные альтернативы. В интерпретации Бома информационное взаимодействие определяет поведение частицы в соответствии с информацией, заключённой в волновой функции. А Гейзенберг рассматривал квантовую реальность как некую потенцию классического мира, то есть как его генетическую информацию.
Подобные подходы совершенно ясно указывают, что решение «проблемы измерений» лежит вне физического мира, а связано с осмыслением природы информационной реальности, являющейся частью окружающей действительности.