Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Не помешает, если еще и лауреат Нобелевской премии поддержит ее своим авторитетом.

Глава 6

Непостижимая постижимость квантовой механики

Всё великолепно, но все недовольны

Квантовая механика исключительно успешна. Она объясняет атомный мир и субатомный с высочайшей точностью. Мы проверяли ее вдоль и поперек – и не нашли никаких изъянов. Квантовая механика оказывалась верна, верна и еще раз верна. Но несмотря на это, а может, как раз поэтому, она никому не нравится. Мы попросту с ней свыклись[71].

В обзоре 2015 года в Nature Physics Санду Попеску назвал аксиомы квантовой механики «очень математическими», «физически малопонятными» и «гораздо менее естественными, интуитивными и “физическими”, чем аксиомы других теорий»96. Он выражает общее умонастроение. Сет Ллойд, известный своей работой над квантовыми вычислениями, согласен, что «квантовая механика совершенно контринтуитивна»97. И Стивен Вайнберг в своих лекциях предупреждает читателя, что «идеи квантовой механики серьезно отклоняются от обычных интуитивных представлений человека»98.

Дело не в том, что квантовая механика технически сложна – она не такая. Математика квантовой механики использует уравнения, для которых у нас есть простые техники решения, что резко контрастирует с уравнениями общей теории относительности – вот их-то страшно трудно решать. Нет, не в сложности дело, а в том, что квантовая механика кажется какой-то неправильной. Она возмущает.

Все начинается с волновой функции. Это математический объект, описывающий систему, с которой вы имеете дело. Волновую функцию часто называют состоянием системы, но – вот тут-то и кроется неприятность – саму по себе ее нельзя наблюдать ни в одном мыслимом эксперименте. Волновая функция чисто вспомогательна: с ее помощью мы вычисляем вероятности для измерения определенных наблюдаемых величин.

Это означает, однако, что после измерения волновая функция должна быть изменена таким образом, чтобы измеренное состояние приобрело вероятность, равную 1. Это изменение – иногда называемое «коллапсом» или «редукцией» – мгновенно: оно происходит одномоментно для всей волновой функции, независимо от того, насколько далеко та простиралась. Если волновая функция простиралась между двумя островами, измерение состояния на одном конце определяет вероятность на другом.

Это не какой-то мысленный эксперимент, его на самом деле провели.

Летом 2008 года группа Антона Цайлингера собралась на Канарских островах, чтобы установить мировой рекорд по дальности квантовой телепортации ⁹⁹[72]. На острове Пальма они с помощью лазера сгенерировали 19 917 фотонных пар: в каждой из них суммарная поляризация равнялась нулю, но поляризация отдельных фотонов была неизвестна. Коллеги Цайлингера послали по одному фотону из каждой пары на приемник, находящийся на острове Тенерифе, за 144 километра. Другой фотон из каждой пары перемещался на 6 километров по оптоволоконному кабелю, свернутому в спираль, на острове Пальма. А затем экспериментаторы измеряли поляризацию на обоих концах.

Поскольку суммарная поляризация известна, измерение поляризации одного фотона из пары кое-что сообщает нам о поляризации второго. Как много оно нам сообщает, зависит от угла между направлениями, в которых измеряется поляризация в двух местах расположения детекторов (рис. 9). Если мы измеряем поляризацию в одном и том же направлении на обоих детекторах, то измерение поляризации одного фотона из пары раскроет нам поляризацию второго. Если же мы измеряем поляризацию в двух взаимно перпендикулярных направлениях, то тогда результат для одного фотона из пары не скажет ничего о втором. А при углах от 0 до 90° мы узнаем немножко, и вероятность того, что оба результата измерения совпадают, количественно выражает, сколько же именно мы узнаем.

Рис. 9. Схематический чертеж для эксперимента, обсуждаемого в тексте. Исходное состояние с суммарной поляризацией, равной нулю (пунктирный кружок), распадается на две частицы, поляризация которых тоже должна в сумме давать ноль. Затем экспериментатор измеряет поляризацию обеих частиц на двух детекторах (серые плоскости) в двух направлениях, повернутых друг относительно друга на некоторый угол.

Мы можем вычислить эту вероятность, не прибегая к квантовой механике: предположив, что частицы уже имели фиксированную поляризацию, когда были сгенерированы. Однако результат такого вычисления не согласуется с измерениями – он неверен. Для некоторых углов результаты измерения поляризации совпадают чаще, чем должны. Создается впечатление, что, хотя частицы и разделены 144 километрами, они связаны сильнее, чем может объяснить их общее происхождение. И только в том случае, когда мы производим вычисления с помощью квантовой механики, результат получается верным. Мы вынуждены заключить, что до измерения частицы не обладали ни одной поляризацией, ни другой – они обладали обеими поляризациями.

Эксперимент Цайлингера на Канарских островах не был ни первым, ни последним экспериментом, показавшим, что для корректного описания наблюдений мы должны принять тот факт, что частицы, за которыми не наблюдают, умеют находиться в двух разных состояниях одновременно. Хотя в том эксперименте и был установлен рекорд дальности (на то время), масса других экспериментов продемонстрировала то же самое: квантовая механика, может, и странная, но она верна. Как ни крути, отделаться от нее мы не в силах.

Особенно беспокоит то, что волновая функция попросту коллапсирует при измерении, ведь ни один другой процесс из известных нам не происходит мгновенно. Во всех остальных теориях связь между двумя местами подразумевает, что нечто должно переместиться из одной точки в другую со скоростью, меньшей скорости света. Это постепенное распространение с течением времени называют «локальностью», и оно согласуется с нашим повседневным опытом. Но квантовая механика обманывает наши ожидания, поскольку запутанные частицы связаны друг с другом нелокальным образом. Подвергните измерению одну из них – и другая узнает об этом мгновенно. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием»¹⁰⁰.

Впрочем, нелокальность квантовой механики – штука тонкая, ведь запутанные частицы не обмениваются никакой информацией. Так как результаты измерений поляризации частиц из пары предсказать нельзя, не получится использовать запутанные частицы для передачи сообщений с одного конца на другой. В квантовой механике, так же как в неквантовой механике, информация не может быть передана быстрее скорости света. Все математически непротиворечиво. Просто… кажется странным.

Другая неприглядная особенность квантовой механики состоит в том, что, ссылаясь на измерения, ее аксиомы предполагают существование макроскопических объектов (детекторов, компьютеров, мозга и так далее), а это удар по редукционизму. Фундаментальная теория должна ведь объяснять появление макроскопического мира, а не исходить из его наличия в своих аксиомах.

Квантовые теории поля наследуют проблемы квантовой механики. Так что у Стандартной модели есть та же трудность с объяснением макроскопического мира.

Чтобы проиллюстрировать проблему, связанную с появлением макроскопического, неквантового мира, Эрвин Шрёдингер в 1935 году предложил нам представить себе кота, запертого в коробке. Внутри есть механизм, который, будучи приведен в действие распадом атома, высвобождает яд, убивающий кота. Атомный распад – процесс квантовый, так что если период полураспада атома равен, скажем, 10 минутам, то с вероятностью 50 % атом распадется в течение 10 минут. Но квантовая механика говорит нам, что до того, как мы произвели измерение, атом и не распался, и распался. Он находится в суперпозиции обеих опций. А что же кот Шрёдингера? Он одновременно жив и мертв и умирает или выживает только в тот момент, когда открывают коробку? Кажется каким-то абсурдом.

Это и есть абсурд. И существует веская причина, почему мы никогда не наблюдаем квантового поведения в повседневной жизни. Для крупных объектов – вроде котов, мозгов, компьютеров – квантово-типичные свойства исчезают чрезвычайно быстро. Такие объекты погружены в теплую и беспокойную окружающую среду, а непрекращающиеся взаимодействия смешивают квантовые связи между частями системы. Это смешивание – декогеренция – быстро превращает квантовые состояния в обычные распределения вероятностей, даже в отсутствие измерительных средств. Декогеренция как раз и объясняет, почему мы не наблюдаем суперпозиций для крупных объектов. Кот не жив и мертв одновременно – просто есть пятидесятипроцентная вероятность того, что он мертв.

Однако декогеренция не объясняет, как после измерения распределение вероятностей обновляется до варианта, при котором измеренное состояние обретает вероятность, равную 1. Так что декогеренция разгадывает только часть загадки.

Безнадежная затея

Я все еще в кабинете Стивена Вайнберга в Остине. Он только что уведомил меня, что у него садится голос, и спросил, не можем ли мы прерваться. Проигнорировав его вопрос, я говорю: «Хотела спросить, что вы думаете об основаниях квантовой механики. В своей книге вы написали: трудно изменить хоть что-то в квантовой механике, не исковеркав ее всю».

«Да, это так, – соглашается Вайнберг. – Но у нас нет ни одной по-настоящему удовлетворительной теории квантовой механики».

Он бросает на меня усталый взгляд и берет со стола книгу.

«Могу прочитать вам один абзац из второго издания моего учебника по квантовой механике. В разделе 3.7 первого издания я написал в этом абзаце довольно негативные вещи, а затем, по дальнейшем размышлении, высказался еще негативнее и резче. Вот как я написал:

И я действительно так думаю. Я очень старался разработать эту более удовлетворительную, другую теорию – абсолютно безуспешно… Квантовую механику крайне трудно переплюнуть. Но, хотя она и не противоречива, у нее есть ряд особенностей, которые мы находим отталкивающими. И противен не тот факт, что в ней есть вероятности. А то, какого рода эти вероятности».

Он продолжает объяснять: «Будь у нас теория, которая гласила бы, скажем, что частицы двигаются с места на место и есть некая вероятность, что частица окажется тут, или там, или в другом каком-то месте, я бы с этим смирился. Что мне не нравится в квантовой механике, так это то, что она является способом вычислить вероятности, которые получает человек, когда осуществляет определенные вмешательства в природу, называемые им экспериментами. А теория не должна ссылаться на человека в своих постулатах. Хочется понять макроскопические вещи вроде экспериментального инструментария и человеческих существ с помощью стоящей за ними теории, а не обнаруживать их на уровне ее аксиом».

Чтобы сделать квантовую механику попривлекательнее, физики придумали различные способы переосмысления ее математики. Две широкие категории предлагают либо принять волновую функцию (обычно обозначаемую буквой ψ, «пси») как нечто реальное (пси-онтический подход), либо же считать ее неким элементом, в котором просто зашифровано знание о мире (пси-эпистемологический подход).

[71] Название этой подглавки – перефразированные слова стендап-комика Луиса Си Кея: «Всё сейчас великолепно, но никто не счастлив». См.: Louis CK – Everything is amazing and nobody is happy. YouTube video, originally published October 24, 2015. www.youtube.com/watch?v=nUBtKNzoKZ4

[72] Этот рекорд уже побит. Пока последний рекорд установлен китайскими учеными в 2017 году; см.: Yin J. et al. 2017. Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers. Science. 356: 1140–1144. – Прим. перев.