Ну ладно, точное описание квантового состояния приводит нас к мгновенному изменению этого описания. А матрица плотности и так описывает вероятности этого описания. Получается, физики даже не говорят, что банан зеленый. Они говорят, что в результате измерений были получены значения, указывающие на зеленый цвет с той или иной вероятностью. Но это не точно. Может, они были красными, может, желтыми, а может, это были яблоки…
3.7. С какой стороны посмотреть…
Физики вообще привыкли интерпретировать все по-разному. Как иначе прийти к более полному мировосприятию? Вот и квантовая механика обросла интерпретациями – аж в отдельную главу выводить пришлось!
Квантовая механика построена на статистике, вероятностях и прочих неоднозначностях. Кроме самих формул есть еще множество вопросов к внутренним смыслам этих формул. Что такое наблюдение и кто такой наблюдатель, что есть объективная реальность и существует ли она вообще, все ли в мире можно предсказать или нет – это еще произносят страшными словами детерменизм и индетерменизм. Ну и так далее. Вопросов куча, и они, как правило, выходят за рамки формул в область философии. Так что интерпретации квантовой механики – это именно философский взгляд на формулы квантовой механики.
Наверное, стоит сразу сказать, что философия подразумевается серьезная. Это вам не на кухне до четырех утра обсуждать секреты мироздания.
Первой интерпретацией стала копенгагенская. Ее разработали Гейзенберг и Бор. Я сейчас скажу об отличительных чертах этой интерпретации. Если вы пользовались сравнением товаров в каком-нибудь интернет-магазине, то видели кнопку «показать только различающиеся параметры» или что-то в этом духе.
В общем, копенгагенцы говорят, что мир состоит из квантовых объектов и классических измерительных приборов. Квантовые объекты могут находиться в состоянии суперпозиции. Помните кота Шрёдингера, который ни жив ни мертв? Давайте только забудем, что Шрёдингер придумал кота не в поддержку, а в опровержение идеям копенгагенцев.
В общем, Бор с Гейзенбергом решили, что взаимодействие микрообъекта с измерительным прибором моментально разрушает суперпозицию.
Это пока еще более или менее физические нюансы. Давайте забуримся в философию. Эйнштейн верил, что то, что можно посчитать, реально. Копенгагенцам нужно все измерить, чтобы признать это реальностью. Если говорить строже, то копенгагенцы приняли принцип наблюдаемости, который заставляет по максимуму исключать утверждения, которые нельзя проверить непосредственным наблюдением.
Ну и стоит сказать о принципе статистического детерменизма. Детерменизм – это про возможность составить прогноз. Статистический детерменизм – это про то, что прогноз на будущее мы можем дать не стопроцентный, а с какой-то вероятностью, в зависимости от того, сколько мы заложили возможностей для изменения изначально. То есть чем больше что-то может изменяться, тем менее точным будет наш прогноз.
Из всего этого квантового клубка так и торчат какие-то зацепки, петли, нитки. В общем, это все еще довольно лохматая история. Давайте я еще раз обозначу проблемы почетче. Во-первых, конечно же, вопрос «Что считать наблюдением и кого считать наблюдателем?». Как я понимаю, копенгагенцы говорят, что даже коробка, в которую мы сажаем кота Шрёдингера, уже может разрушить суперпозицию, не говоря уже о самом котике. То есть для них измерение – это скорее само взаимодействие квантового объекта с объектом макромира, а уж как, зачем и почему это взаимодействие случилось, измеряешь ты там что-то или просто ткнулся случайно и без цели – неважно, квантовый мир очень стеснительный, и он уже свернул суперпозицию до одного определенного состояния.
Еще один вопрос – смотреть или считать? В смысле стоит ли полагаться на расчеты или мы стараемся отбросить все, что не можем наблюдать? Верен ли принцип наблюдаемости или мы уже переходим от линеек и термометров к матанализу, теории вероятностей и формализму? Ответ копенгагенцев – физика изучает только результаты измерительных процессов.
Ну и третий вопрос: может ли физика играть в Нострадамуса? В смысле, может ли квантовая механика предсказывать результаты хоть чего-то со стопроцентной точностью? Бор с Гейзенбергом говорили, что неопределенность вшита в саму физику, так что кукиш нам без масла, а не стопроцентные прогнозы.
В общем, такие ответы не всем пришлись по душе, так что народ пошел искать другие варианты, как пользоваться теми же формулами в реальном мире.
Помните, сначала нам говорили, что нельзя отнимать от маленького числа большое? Вроде как нам запрещали отнимать от трех восемь. Потом нам рассказали про отрицательные числа, но запретили из них корень извлекать. Потом нам рассказали про компле́ксные числа. Ну и про пределы, где можно попробовать делить на ноль, и еще про кучу интересностей. Вот так же и физики пошли пробовать на зуб все границы, которые поставили им отцы квантовой механики – Бор и Гейзенберг.
Еще одна интерпретация – многомировая интерпретация Эверетта. Ее довольно просто понять. Эверетт просто переложил суперпозицию с квантового объекта на всю Вселенную. Получается, теперь мы при наблюдении не волновую функцию схлопываем, а просто отсекаем все остальные варианты, в которых результаты получились иными. Пустили лазерный луч через две щели на экран и получили много полосок света разной интенсивности. Так у нас проводится двухщелевой опыт Юнга. И в нем мы просто отсекаем при каждом наблюдении часть результатов, в которых светлых полосок на экране ровно две, по количеству щелей.
Получается, как будто бы у нас есть разные вселенные, отсюда и название – многомировая интерпретация. Но на самом деле мир у Эверетта один. Просто этот мир описывается такой сложной функцией, что изнутри его можно описать бесчисленным количеством вариантов. То есть многомировая интерпретация – это физический аналог притчи про то, как слепые слона описывали. Так что вообще-то в суперпозиции у нас не Вселенная, а наблюдатель. Это мы наблюдаем результаты эксперимента, вот мы и расщепляемся на тех, кто видит много полосок света на экране и две.
А теперь интересное. Почему вы, например, не наблюдаете вселенную, в которой внезапно появляется какой-нибудь супергерой? Или в которой все голуби становятся маленькими, а воробьи – большими? В общем, мы пришли к правилу Борна. Это правило говорит, что такие ветви развития существуют, но они настолько тонкие, что мы их просто не замечаем. Если говорить строже, то правило Борна рассчитывает вероятность того или иного результата измерения. Но проблема в том, что оно скорее удачная догадка, чем строго выведенная математика. К нему все еще есть вопросы, но оно, блин, работает. Фактически Борн просто поправил Эйнштейна. Эйнштейн говорил, что квантовые пакеты света – фотоны – двигаются волнами. Борн сказал, что это волны вероятности появления фотонов. То есть вообще-то фотоны двигаются довольно хаотично, но наиболее вероятно найти их вот тут и вот здесь.
Ладно, это все формальности. Если говорить проще, то Борн сказал, что есть более вероятные события и менее вероятные. Скорее всего, сегодня вы будете кушать или уже кушали. Менее вероятно, что у вас сегодня крылья отрастут. Еще менее вероятно, что эту книгу прочитает стотыщмильенов человек. Правило, кажется, само собой разумеющееся, но до сих пор с ним есть сложности. Мы не можем вывести его строго для всех интерпретаций. По отдельности что-то пытаемся, но у нас нет никаких общих идей.
Ладно, мы попробовали наблюдателя засунуть в суперпозицию. Давайте еще несколько вариантов посмотрим.
Во-первых, интерпретация фон Неймана – Вигнера. Она говорит, что коллапс волновой функции может вызывать только сознание. То есть кот Шрёдингера опять ни жив ни мертв. Мы не считаем разумными ни коробку, ни тем более кота. А для завершения процесса квантового измерения разумный наблюдатель становится необходимым. Получается, что сознание – нефизический и при этом единственный истинный измерительный инструмент, а все остальное – мишура малополезная.
Еще одна интерпретация называется реляционной квантовой механикой. В 1994 году Карло Ровелли решил напомнить миру об одной из величайших идей Эйнштейна: о том, что наблюдение зависит от системы отсчета, связанной с наблюдателем. Так что теперь и состояние квантовой системы становится зависимым от наблюдателя. Пока эта интерпретация не очень популярна, посмотрим, что будет дальше.
Так что давайте перейдем к интерпретации Бома. Еще ее называют теорией де Бройля – Бома, причинной интерпретацией, механикой Бома или теорией волны-пилота. Названий много, а суть, как обычно, одна. Это первая теория со скрытыми параметрами. Де Бройль сказал, что положение и импульс каждой частицы определены в любое время, просто наблюдателю они неизвестны. Получается, что принцип неопределенности Гейзенберга не нарушается, просто мы его с другой стороны видим. Проблема не в физике, а в том, что мы наблюдать не можем нормально. Там же сказано, что частицам соответствуют волны, но при этом волны могут быть сами по себе пустыми и не привязанными к частицам, но это уже дебри. Де Бройль от своей идеи отказался в пользу копенгагенской интерпретации, а спустя некоторое время теорию волны-пилота откопал Бом и начал ее докручивать. В принципе, получается теория, в которой все предопределено волновой функцией и уравнением Шрёдингера.
Еще одна интересная интерпретация – квантовое байесианство, или кьюбизм. Это продолжение копенгагенской интерпретации, но есть несколько отличий. Кьюбисты говорят, что все, что мы измеряем, – это только наш личный опыт. Он может совпадать с личным опытом других наблюдателей, он может подчиняться статистике и так далее, но он остается субъективщиной. Реальность мы до конца измерить не сможем, всегда найдется что-то, чего мы не будем знать. Это очень похоже на принцип неопределенности Гейзенберга, но это не совсем он.
Еще байесианцы считают измерительные приборы продолжением агента, или наблюдателя. То есть можно считать термометры, интерферометры и прочие метры дополнительными органами чувств.