Симметрию снова нарушает тот факт, что в нашем конкретном мире системы взаимодействуют друг с другом, когда расположены поблизости в пространстве. Именно так устроена динамическая локальность. Но с точки зрения многомировой интерпретации, которая трактует квантовые состояния как фундаментальные, а все остальное – как эмерджентное, напрашивается вывод, что ситуацию нужно воспринимать прямо противоположным образом: «пространственные координаты» – это переменные, в рамках которых взаимодействия выглядят локальными. Пространство не фундаментально: это просто способ представления того, что происходит с квантовой волновой функцией.
С такой точки зрения проще понять, почему эвереттовская волновая функция естественным образом делится на множество миров с приблизительно классическими свойствами. Данный феномен называется проблемой предпочтительного базиса. Многомировая интерпретация основана на том факте, что волновая функция Вселенной, как правило, описывает всевозможные суперпозиции, в том числе такие состояния, где в суперпозициях оказываются объекты, расположенные в совершенно разных местах. Однако мы никогда не наблюдаем в суперпозициях ни стульев, ни шаров для боулинга, ни планет. Если судить по наблюдаемым явлениям, эти тела всегда обладают определенными координатами, а их движение подчиняется законам классической механики с очень высокой точностью. Почему мы не наблюдаем состояний, где в суперпозициях находились бы макроскопические объекты? Можно записать волновую функцию как комбинацию множества разных миров, но почему мы делим ее именно на эти миры?
В принципе, ответ на этот вопрос был сформулирован в 1980-х. Объяснение было найдено в декогеренции, хотя исследователи до сих пор продолжают уточнять детали. Здесь было бы уместно обратиться к хорошо известному мысленному эксперименту под названием «кот Шрёдингера». Есть герметичная коробка, в которой сидит кот, и в ней – емкость с усыпляющим газом. В исходной шрёдингеровской постановке эксперимента газ был ядовитым, но незачем представлять, будто мы умерщвляем кота. (Как-то раз дочь Шрёдингера Рут предположила, что «папа просто не любил котов».)
Один из экспериментаторов взвел пружину, открывающую емкость, в результате чего газ попадет в коробку, и кот заснет. Но пружина срабатывает только после щелчка счетчика Гейгера, фиксирующего радиоактивную частицу. Рядом с детектором находится источник радиации. Нам известно, с какой частотой частицы испускаются из этого источника, поэтому можно вычислить, какова вероятность, что счетчик щелкнет и откроет емкость с газом в течение некоторого промежутка времени.
Радиоактивное излучение – это фундаментально квантовый процесс. То, что мы привыкли характеризовать как случайное испускание частицы, на самом деле представляет собой гладкую эволюцию волновой функции атомного ядра в источнике излучения. Каждое ядро эволюционирует из чистого состояния «не распался» в суперпозицию состояний «не распался» + «распался», причем вторая составляющая со временем нарастает. Распад частиц кажется случайным, так как детектор не измеряет непосредственно волновую функцию, он лишь фиксирует распавшуюся или нераспавшуюся частицу, подобно тому, как вертикальный магнит Штерна – Герлаха фиксирует только верхний или только нижний спин.
Суть данного мысленного эксперимента – вывести квантовую суперпозицию с микроуровня на макроуровень и увеличить рассматриваемую ситуацию до явно макроскопической. Это происходит, как только щелкает детектор. Вся постановка с сонным газом и котом нужна для увеличения масштаба квантовой суперпозиции и повышения ее наглядности. Слово «запутанность», которое переводится на немецкий как Verschränkung (дословно «ограниченность»), впервые было использовано Шрёдингером в переписке с Эйнштейном именно при обсуждении данного опыта с котом.
Эксперимент Шрёдингера был сформулирован в контексте академического подхода к проблеме измерения, где с волновой функцией происходит коллапс в тот самый момент, когда ее наблюдают. Итак, предлагает он, представьте, что мы не открываем коробку и не смотрим, что происходит внутри, до тех пор пока волновая функция не эволюционирует до равной суперпозиции состояний «как минимум одно ядро распалось» и «ни одно ядро не распалось». В таком случае волновые функции детектора, газа и кота также эволюционируют в равную суперпозицию состояний «детектор щелкнул, газ выпущен, кот спит» и «детектор еще не щелкнул, газ по-прежнему в емкости, кот бодрствует». Но вы же не полагаете всерьез, спрашивает нас Шрёдингер, что внутри коробки – суперпозиция спящего и бодрствующего кота, которая сохранится до тех пор, пока мы не откроем ящик?
В определенном смысле Шрёдингер был прав. Принимая эвереттовскую трактовку квантовой динамики, мы признаем, что волновая функция гладко эволюционирует в равную суперпозицию двух возможностей, одна из которых – «кот спит», другая – «кот бодрствует». Однако, согласно декогеренции, кот также запутан с окружающей средой, состоящей из всех фотонов и молекул, находящихся внутри коробки. Фактическое ветвление на разные миры происходит практически сразу же после щелчка детектора. К тому моменту, как экспериментатор откроет коробку, уже будет две ветви волновой функции, в каждой из которых окажется всего один кот и один экспериментатор, а не суперпозиции котов и экспериментаторов.
Так снимается проблема, изначально беспокоившая Шрёдингера, но возникает другая. Почему когда мы открываем коробку, конкретные декогерированные квантовые состояния, которые мы видим, это либо «спящий кот», либо «бодрствующий кот»? Почему бы нам не увидеть некоторую суперпозицию того и другого? «Бодрствующий» и «спящий» вместе представляют собой всего один возможный базис для кошачьей системы, точно как «верхний спин» и «нижний спин» для электрона. Почему этот базис предпочтительнее любого другого?
С точки зрения физики для нас в данном случае важна материя – газ, молекулы, фотоны, – которая взаимодействует с рассматриваемой нами физической системой. Факт наличия или отсутствия взаимодействия конкретной частицы с котом зависит от того, где находится кот. Конкретный фотон вполне может быть поглощен бодрствующим котом, который крутится по всей коробке, но пролететь мимо кота, который свернулся и спит.
Иными словами, особенность базиса «спящий – бодрствующий» заключается в том, что отдельные состояния в рамках этого базиса описывают четкие пространственные конфигурации. А пространство – это сущность, в которой физические взаимодействия являются локальными. Частица может попасть в кота, если между ней и котом произойдет физический контакт. Две части кошачьей волновой функции, «спящий» и «бодрствующий», контактируют с разными частицами из окружающей среды и, следовательно, дают начало разным мирам.
В принципе, это и есть ответ на вопрос, почему мы видим именно те миры, которые видим. Предпочтительный базис составляют те состояния, которые описывают когерентные объекты в пространстве, потому что такие объекты последовательно взаимодействуют со своей окружающей средой. Эти состояния часто именуются устойчивыми, и именно в них стрелка макроскопического измерительного прибора указывает на конкретное значение, а не находится в суперпозиции. Именно в устойчивом базисе классические приближения имеют смысл, и поэтому базисы такого рода служат основой для эмерджентных миров. Декогеренция – это феномен, в конечном итоге связывающий строгую простоту эвереттовской квантовой механики с беспорядочными частностями наблюдаемого мира.
12Мир вибрацийКвантовая теория поля
Слово «дальнодействие», к которому обычно присовокупляют эйнштейновский эпитет «жуткое», часто всплывает в дискуссиях о квантовой запутанности и парадоксе ЭПР. Но сама идея дальнодействия гораздо старше – она восходит как минимум к Исааку Ньютону и его теории всемирного тяготения.
Если бы Ньютон просто собрал воедино базовую структуру классической механики и больше ничего в жизни не сделал, то он все равно оставался бы главным претендентом на звание величайшего физика всех времен. Но его притязания на физическую корону оказываются несомненными, поскольку он сделал гораздо больше, в том числе – ни много ни мало изобрел дифференциальное и интегральное исчисление. Но все-таки большинство людей, глядя на портрет Ньютона в его великолепном парике, думают о его теории всемирного тяготения, или гравитации.
Ньютоновский закон тяготения наиболее емко выражен в знаменитом законе обратных квадратов: сила тяготения между двумя телами пропорциональна массе каждого из них и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Таким образом, если бы мы отодвинули Луну от Земли вдвое дальше, чем она расположена сейчас, то сила притяжения между Землей и Луной уменьшилась бы в четыре раза. Воспользовавшись этим простым правилом, Ньютон показал, что для планет естественно двигаться вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, подтвердив таким образом эмпирическое наблюдение, которое сделал Кеплер многими годами ранее.
Но самого Ньютона его собственная теория так и не удовлетворила именно потому, что в ней присутствовало дальнодействие. Сила взаимодействия двух объектов зависит от того, где расположен каждый из них, и когда объект сдвигается в некотором направлении, создаваемое им гравитационное притяжение мгновенно меняется во всех точках Вселенной. Между двумя объектами нет ничего, что опосредовало бы такое изменение, оно просто происходит. Это беспокоило Ньютона не потому, что было нелогичным или не согласовывалось с наблюдениями, а просто потому, что казалось неправильным. Можно сказать, жутким.
Непостижимо, чтобы неодушевленная грубая материя могла без посредства чего-либо нематериального действовать и влиять на другую материю без взаимного соприкосновения… Тяготение должно вызываться агентом, постоянно действующим по определенным законам. Является ли, однако, этот агент материальным или нематериальным, решать это я предоставил моим читателям.