емы (и размерность ее гильбертова пространства) будет равен тензорному[60] произведению векторов состояния подсистем. Такое состояние системы называется сепарабельным (разделимым).
Это то, на чем стоит вся классическая физика. Если бы не существовало такого варианта чистого состояния, то не было бы и классической физики. Другой вариант ЧС — когда система находится в когерентной суперпозиции состояний всех ее подсистем.
Обычно именно этот вариант вызывает наибольшие трудности в понимании. Вероятно, потому, что мы не можем непосредственно увидеть и «пощупать» это состояние в окружающем мире, хотя на протяжении всей человеческой истории о нем говорится постоянно. Так что некоторые представления об этом состоянии замкнутой системы мы все же имеем. Например, для Вселенной, как замкнутой системы, — это Единый Источник классической реальности, Бог, Абсолют и т. п.
В терминах квантовой физики этот случай соответствует ЧС системы, в которой существуют лишь нелокальные квантовые корреляции. Такое состояние в квантовой физике называется чистым запутанным состоянием (ЧЗС).
И самое интересное, что классических корреляций в ЧС нет и быть не может.
Таким образом, ЧС бывают либо сепарабельными, либо ЧЗС. Третьего, как говорится, не дано.
И это не мои домыслы и предположения. Это строгий результат, следующий из основ квантовой теории. Например, об этом достаточно четко сказано в работе «Запутанные квантовые состояния атомных систем»[61]. В разделе 2.2 читаем: «Итак, чистые квантовые состояния бывают либо квантово-коррелированными (запутанными), либо вообще некоррелированными». Далее, в разделе 2.4 еще раз: «Как уже отмечалось, в случае чистых состояний любые корреляции являются квантовыми, то есть соответствуют запутанным состояниям».
Напомню, что некоррелированность, то есть отсутствие вообще каких-либо корреляций, как классических, так и квантовых, — это сепарабельные состояния.
Итак, непосредственно из основ квантовой физики следует, что:
● замкнутая система находится в чистом состоянии;
● в замкнутой системе корреляции (и классические, и квантовые) между подсистемами могут отсутствовать вовсе (в случае не взаимодействующих подсистем, то есть сепарабельного состояния);
● в замкнутой системе корреляции между подсистемами могут быть только нелокальными квантовыми (для взаимодействующих подсистем);
● в замкнутой системе отсутствуют классические корреляции между ее подсистемами.
Напомню, что речь идет о произвольных замкнутых системах. И в полной мере эти выводы справедливы только для всего Универсума, как единственной системы, которая является по-настоящему замкнутой.
Здесь у многих сразу же может возникнуть вопрос: как же так, мы, вместе с окружающими нас объектами, являемся частью Вселенной, при этом классически взаимодействуем с окружением и вовсе не находимся в нелокальном состоянии. Как это сопоставить с тем, что было сказано выше? Никакого противоречия здесь нет, и квантовая механика также отвечает на этот вопрос. Кстати, отвечая на него, ученые вывели количественную характеристику запутанности. Все дело в том, что мы, вместе с окружающими нас объектами, являемся именно частью системы, а классические корреляции отсутствуют во всей системе целиком. То есть в пространстве состояний (гильбертовом пространстве) с максимальной размерностью, соответствующем всей системе, классических корреляций нет, но они могут быть между подсистемами в пространствах состояний меньшей размерности. Данное обстоятельство можно пояснить еще следующим образом: гипотетический внешний наблюдатель, который смотрит на замкнутую систему снаружи, не увидит перед собой никаких классических объектов и не обнаружит взаимодействий между ними. Перед ним будет пустота — уточню:это в том случае, если наблюдатель охватывает взглядом сразу всю систему. Если же у него есть что-то наподобие «подзорной трубы», и через нее он станет смотреть на отдельную подсистему, «вырезая» из поля зрения все остальное окружение, тогда он уже сможет увидеть выделенную подсистему как классический локальный объект.
Если обратиться к математическому формализму квантовой теории, то для записи вектора состояния обычно используют дираковские обозначения. В самом простом случае двухуровневой системы (например, кубита), вектор состояния имеет вид:
|Ψ> = a|0> + b|1>, (2.1)
где а и b — комплексные числа, которые могут принимать любые значения, удовлетворяющие условию нормировки |а|2+ |b|2= 1. Можно сказать, что кубит с вероятностью |а|2 находится в состоянии |0ñ и с вероятностью |b|2 — в состоянии |1ñ. Это обобщение классического бита, который является предельным случаем кубита при |а|2= 1, либо |b|2= 1.
Состояние |0ñ = |↑ñ = (1, 0)Т — это вектор-столбец (спин-вверх); состояние |1ñ = |↓ñ = (0, 1)Т тоже вектор-столбец, но спин-вниз.
2.6. Волновая функция
Довольно часто в качестве синонима словосочетания «вектор состояния» используют термин «волновая функция». Но различие между ними есть, и я хочу немного пояснить этот момент. Термин «волновая функция» я стараюсь не употреблять, поскольку под ним обычно подразумевается, что вектор состояния является функцией координат и времени. То есть предполагается, что, по умолчанию, в качестве «абсолюта» нам задан пространственно-временной континуум. Лично я считаю, что описание в терминах волновой функции — это не квантовая теория, а классическая, в лучшем случае — полуклассическая с незначительными элементами квантового формализма. В аксиоматике квантовой теории просто нет такого понятия, как пространственно-временные координаты, и в самодостаточной квантовой теории различные пространственно-временные континуумы получаются лишь как естественное следствие процесса декогеренции нелокального источника реальности.
Я предпочитаю использовать термин «вектор состояния» как функции внутренних степеней свободы системы. Использовать для описания системы не внутренние, а внешние ее характеристики относительно какой-либо выбранной системы отсчета я считаю, мягко говоря, некорректным. Тем более что для замкнутой системы, описываемой вектором состояния (волновой функцией), просто по определению не может существовать никакой внешней системы отсчета, так как, строго говоря, в случае чистого состояния (замкнутой системы) нет никакого внешнего тела, с которым можно было бы ее связать. Кстати, часто именно при таком некорректном подходе возникают так называемые «парадоксы» квантовой теории, типа парадокса ЭПР-пары, когда смешивают внешние и внутренние степени свободы системы (координаты и спин). Естественно, что внутренние степени свободы в данном случае не зависят от внешних (спин не зависит от координат), и можно по внешним степеням свободы систему усреднить. При этом получается «парадоксальный» на первый взгляд результат, согласно которому спиновые степени свободы скоррелированны независимо от расстояния между составными частями системы.
Ничего удивительного здесь нет. Если вы хотите разрешить парадокс, то будьте добры забыть о том, что замкнутая система имеет внешние координаты, и описывайте процесс ее «деления» на части как внутренний. Лишь тогда возникают локальные пространственно-временные координаты как внутренние характеристики самой системы, точнее, характеристики взаимодействия ее подсистем, когда с какой-либо одной из них связывается система отсчета. И внешние степени свободы здесь действительно не имеют значения, с небольшим уточнением — до тех пор, пока мы рассматриваем нашу систему как замкнутую, пока она не начнет «чувствовать», что она не одна в этом мире.
В макроскопическом мире спиновые степени свободы достаточно хорошо изолированы от других, поэтому они довольно долго «живут» в своем локальном «параллельном» пространстве-времени, пока оно не пересечется и не «схлопнется» с окружением. Для спиновой системы между ее составными частями может и не быть никакого дальнодействия— это будет обычное взаимодействие, но в своем пространстве-времени. Если внутренние степени свободы системы не находятся в максимально запутанном состоянии, то они будут хотя бы частично локализованы, и сформируется локальный пространственно-временной континуум. Но для нас это все равно будет выглядеть как дальнодействие, как следствие существенного различия в метриках пространства-времени для спиновой системы и нашего мира.
Таким образом, описание в терминах волновой функции само по себе уже является полуклассическим. Например, в шредингеровском представлении предполагается наличие канонических координат и импульсов. Обычно так и пишут:«Рассмотрим динамическую систему с n степенями свободы, имеющую классический аналог (выделено мной. — С. Д. ) и, следовательно, описываемую каноническими координатами и импульсами»[62].
Полноценное квантовое описание и несепарабельные состояния не имеют классического аналога. Волновая функция — это частный случай, лишь одно из возможных представлений вектора состояния, максимально приближенное к классическому описанию системы (частицы) в терминах сепарабельных состояний. Это представление, которое предполагает «отделимость», например, по координатам в шредингеровском представлении.
Естественно, что такое сепарабельное представление волновой функции создает сложности в описании и понимании физических состояний, которые могут находиться в нелокальном состоянии. Частица может быть «размазанной» в нашем трехмерном пространстве или расщеплена на несколько когерентных пучков (например, в случае с фотонами), и, если мы хотим приписать ей какую-то конкретную координату (траекторию), несложно сообразить, что сделать это невозможно. Например, частица проходит через две щели одновременно, причем, если мы начнем следить, через какую щель она прошла, то нарушим когерентность, частица локализуется (произойдет редукция волновой функции), но после этого интерференция наблюдаться уже не будет.