Как ни странно, запутанность, следующая из законов квантовой механики, действительно наблюдается в экспериментах. Но как нечто столь нелокальное может олицетворять реальность?
Так что же нам делать с проблемами квантовой механики? Один из разумных ответов содержится в легендарном совете для любознательных студентов: «Замолчи и считай!» Спор ведь не о том, как использовать квантовую механику, а только о том, как понимать ее смысл, так что, возможно, это всего лишь проблема терминологии.
С другой стороны, проблемы, связанные с пониманием измерений в современной квантовой механике, могут сигнализировать о том, что теорию нужно менять. Квантовая механика настолько хорошо работает на уровне атомов, что любая новая теория должна быть практически неотличима от квантовой механики при рассмотрении столь мелких объектов. Однако новая теория может быть сконструирована таким образом, что суперпозиция состояний крупных объектов, таких как ученые-физики и их измерительные приборы, даже в условиях изоляции подвергается быстрому спонтанному коллапсу, при котором вероятности изменяются так, чтобы соответствовать результатам, получаемым в квантовой механике. Множественные миры Эверетта должны естественным образом свернуться к единому миру. Цель создания новой теории состоит в том, чтобы описать этот процесс как часть обычного физического процесса в рамках постквантовой теории, не придавая измерениям особый статус в физических законах.
Сложность создания такой новой теории связана с тем, что эксперимент не дает нам подсказок, в каком направлении двигаться, пока все данные согласуются с обычной квантовой механикой. Некоторые подсказки, однако, мы получаем из общих принципов, которые, как оказалось, задают удивительно строгие ограничения для любой новой теории.
Очевидно, вероятности должны быть заданы положительными числами, сумма которых равна 100 %. Еще одно требование, которое выполняется в обычной квантовой механике, состоит в том, чтобы в запутанных состояниях изменение вероятностей в процессе измерений не могло быть использовано для мгновенной передачи сигналов, поскольку иначе это будет нарушением теории относительности. СТО утверждает, что ни один сигнал не может быть передан со скоростью, превышающей скорость света. Если эти требования собрать вместе, оказывается, что самое общее изменение вероятностей удовлетворяет так называемому уравнению Линдблада[105]. Частным случаем уравнения Линдблада является уравнение Шрёдингера из обычной квантовой механики, однако в более общем случае в уравнение Линдблада входит ряд новых величин, которые описывают отступление от квантовой механики. Подробности об этих величинах нам, конечно, сейчас неизвестны. И хотя этого почти не заметили за пределами сообщества теоретиков, тем не менее уже вышла серия интересных статей, начиная с важной работы 1986 г. Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебера из Триесте, в которой для обобщения квантовой механики разными способами используется уравнение Линдблада.
В последнее время я раздумываю о возможностях экспериментального поиска признаков отклонения от обычных законов квантовой механики с помощью атомных часов. В основе любых атомных часов лежит изобретенное ныне покойным Норманом Рамзеем устройство, которое позволяет настраивать частоту микроволнового или оптического излучения на известное значение собственной частоты колебания атома, находящегося в суперпозиции двух состояний с разными уровнями энергии. Эта собственная частота равна отношению разности энергий двух состояний атома, используемого в атомных часах, к постоянной Планка. Собственная частота не зависит от внешних условий, поэтому ее можно использовать в качестве эталонной, подобно тому как цилиндр из платиново-иридиевого сплава, хранящийся в Севре[106], служит эталоном массы.
Подстройка частоты электромагнитной волны к этому эталонному значению немного похожа на подстройку частоты одного метронома к частоте другого. Если вы запустите два метронома вместе и их удары будут совпадать даже после тысячи повторений, вы сможете утверждать, что их частоты равны по крайней мере с точностью до одной тысячной. Квантово-механические расчеты показывают, что в атомных часах подстройка должна быть выполнена с точностью до 10–17, и такой точности действительно удается достичь. Но если бы поправки к квантово-механическим законам, которые описываются новыми членами уравнения Линдблада (представленные в энергетических единицах), были порядка 10–17 от разности энергий между состояниями атома в часах, то эта точность была бы потеряна[107]. Таким образом, величина новых членов должна быть намного меньше.
Насколько существенным является это ограничение? К сожалению, идеи о модификации квантовой механики представляют собой лишь смутные гипотезы, и мы пока не имеем ни малейшего представления, насколько велики могут оказаться поправки к квантово-механическим законам. Если принять во внимание не только эту проблему, но будущее квантовой механики в целом, то, на мой взгляд, здесь будет уместно процитировать Виолу из «Двенадцатой ночи»:
О время, здесь нужна твоя рука:
Мне не распутать этого клубка![108]
После публикации этой статьи Боб Сильверс предложил мне написать короткий ответ на множество комментариев, присланных в Review или непосредственно мне. Письмо, текст которого приводится ниже, было опубликовано в Review 6 апреля 2017 г.
Моя статья «Проблема квантовой механики» вызвала поток комментариев. Некоторые из них пришли от людей, не имеющих отношения к науке, которые были очарованы тем, что иногда физики могут не соглашаться друг с другом. Здесь есть место только для краткого обзора нескольких комментариев от физиков, предложивших аргументы в пользу тех интерпретаций квантовой механики, которые избавляют от необходимости модифицировать теорию. Увы, эти интерпретации отличаются друг от друга, но ни одна не кажется мне достаточно удовлетворительной.
Н. Дэвид Мермин из Корнеллского университета, используя характерную риторику, выступил за то, что я (но не он) назвал бы инструментальным подходом. С его точки зрения, наука имеет непосредственное отношение к связи между совокупным опытом каждого человека и внешним миром, который формирует этот опыт. Я ответил, что надеюсь на появление физической теории, которая позволит нам выяснить, что происходит в процессе измерений, с помощью объективных, применимых ко всему законов, не придавая людям особый статус в этих законах, и предположил, что наши разногласия связаны только с тем, что Мермин считает, будто я слишком сильно надеюсь на это. Он согласился, понимая, что эти надежды мои, а не его.
Томас Бэнкс из Ратгерского университета в нашей переписке и в черновике своей новой книги, напротив, описал свои изящные попытки избежать привнесения фактора человеческих измерений в законы природы. Он описывает измерение как взаимодействие системы, в которой проводится измерение, с макроскопической системой, где вероятности проявляются практически как в классической физике. Однако в этом случае все еще необходимо внести в законы природы предположения об этих вероятностях, которые я могу трактовать только как вероятности результатов измерения, получающихся, когда люди решат, какую величину измерять.
У меня была интересная переписка с Робертом Гриффитсом из Университета Карнеги — Меллона и Джеймсом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в которой мы обсуждали интерпретацию квантовой механики, известную как подход «последовательных миров» (или «декогерентных миров»). Этот подход был предложен в 1984 г. Гриффитсом, а позже его развивали Хартл и Мюррей Гелл-Манн. Предполагается, что законы природы связывают вероятности с историями развития мира, а не только с результатами одиночного измерения. Я подробно описал этот подход в своем учебнике «Лекции по квантовой механике», но не затрагивал его в своей статье, поскольку решил, что у него те же недостатки, что и у всех инструментальных подходов. Волновые функции для миров с такими историями связаны с усреднением по большей части переменных при некоторых фиксированных величинах, как если бы они были измерены, но истории, в которых фиксируются разные величины, несовместимы, и именно люди должны выбрать конкретный вариант истории, с которым будут соотнесены вероятности. Гриффитс разработал нечто вроде квантовой логики, согласующейся с его подходом, но она меня не удовлетворила. Хартл и Гелл-Манн, вероятно, в некоторой степени разделяют эту неудовлетворенность, поскольку они продвинулись в определении одного «правильного» варианта истории так, чтобы его не нужно было выбирать людям, однако им пришлось ввести странные отрицательные вероятности для описания истории такого типа. Моя неудовлетворенность никуда не делась.
Джереми Бернштейн, сотрудник The New York Review of Books, как и Мермин, считает, что в квантовой механике в ее современном виде нет никаких проблем, но он рассказал анекдот, который говорит об обратном: «В Праге один из посетителей заметил, что окна кабинета Эйнштейна выходят во двор психиатрической лечебницы. Эйнштейн объяснил, что там содержатся те безумцы, которые не думали о квантовой механике».
III. Общественные вопросы
15. Обама финансирует космос правильно
Бюджет, подготовленный администрацией Обамы в январе 2010 г., дал мне повод нанести еще один удар по расходам на пилотируемую космическую программу, с критикой которой я выступаю многие годы (без особого результата). В 2004 г. президент Джордж Буш — младший объявил о грандиозной программе пилотируемых космических полетов: возвращение на Луну, а затем полет на Марс! Вскоре после этого я опубликовал статью под названием «Не то, что нужно» (The Wrong Stuff) в журнале