Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности



страница12/34
Дата04.05.2018
Размер9.31 Mb.
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   34
Рис 7.2 (а) Включая детектор "выбора пути", мы портим интерференционную картину; (b) Когда новый детектор выключен, мы возвращаемся к ситуации Рис. 7.1 и интерференционная картина снова выстраивается.
Теперь, следуя Уилеру, изменим ситуацию, переместив новый детектор фотонов далеко от разветвителя вдоль одного из двух путей. В принципе, путь может быть настолько длинным, насколько вы хотите, так что новый детектор может быть существенно удален от лучевого разветвителя. Еще раз, если этот новый детектор фотонов выключен, мы находимся в обычной ситуации и фотоны заполняют интерференционную картину на экране. Если он включен, он обеспечивает информацию "выбора пути" и поэтому предотвращает существование интерференционной картины.

Новые странности возникают из того факта, что измерение "выбора пути" может быть произведено намного позже того, как фотон "решил" в лучевом разветвителе, будет ли он вести себя как волна и двигаться по обоим путям или он будет вести себя как частица и двигаться только по одному пути. Когда фотон проходит через лучевой разветвитель, он не может "знать", включен новый детектор или нет – в действительности эксперимент может быть так построен, что выключатель детектора может быть установлен в то или иное положение после того, как фотон прошел через разветвитель. Чтобы быть готовой к возможности, что детектор выключен, квантовая волна фотона, скорее всего, разделилась и движется по обоим путям, так что амальгама на втором рисунке может воспроизвести наблюдаемую интерференционную картину. Но если новый детектор был включен – или если он включается после того, как фотон полностью покинул разветвитель, – то кажется, что имеет место кризис идентичности фотона: пройдя через разветвитель, он уже зафиксировал свою волновую природу, двигаясь по обоим путям, но теперь, временами после осуществления этого выбора, он "осознает", что ему надо лицом к лицу подойти к необходимости стать частицей, которая путешествует по одному и только по одному пути.

Однако, каким-то образом фотон всегда делает это правильно. Когда бы детектор ни был включен – еще раз, даже если решение включить его отложено надолго после того, как данный фотон прошел через лучевой разветвитель, – фотон ведет себя полностью как частица. Он находится на одном и только на одном маршруте к экрану (если вы вставили детекторы фотонов на оба маршрута, каждый эмитированный лазером фотон будет обнаружен одним и только одним детектором, но никогда обоими); итоговые данные не показывают интерференционной картины. Когда бы детектор ни был выключен – еще раз, даже если это решение сделано после того, как каждый фотон прошел через разветвитель, – фотоны ведут себя полностью как волны, создавая замечательную интерференционную картину, показывая, что они путешествовали по обоим путям. Это похоже на то, как если бы фотоны приспосабливали свое поведение в прошлом в соответствии с будущим выбором того, включен ли новый детектор; это похоже на то, как если бы фотоны имели "предчувствие" экспериментальной ситуации, с которой они столкнутся дальше по пути, и вели себя соответственно. Это похоже на то, как если бы существующая и определенная история становилась бы явной и полностью установленной только после будущего, к которому она ведет.[4]

Это подобно вашим ощущениям от решения о продаже Дородного Монти. Перед встречей с мистером Смитерсом вы были в двусмысленном, нерешительном, размытом, смешанном состоянии, желая и продавать и не продавать картину. Но совместные разговоры о мире искусства и получение информации о влиянии Смитерса на вашего дядюшку сделали для вас более комфортной идею о продаже. Разговор привел к твердому решению, которое рестроспективно позволило истории решения выкристаллизоваться из первоначальной неопределенности. Ретроспективно чувствуется, как если бы решение на самом деле было принято всегда. Но если бы вы не пообщались так хорошо с мистером Смитерсом, если бы он не придал вам уверенности, чтоДородный Монти будет в надежных руках, вы могли бы очень даже принять решение не продавать. А история прошлого, которую вы могли бы рассказать в этой ситуации, несомненно, могла бы содержать признание, что вы на самом деле очень давно решили не продавать картину, будучи глубоко уверенным, что вы всегда знали, что сентиментальные связи просто слишком сильны, чтобы пойти на это. Реальное прошлое, конечно, не изменилось ни на йоту. Однако отличающиеся ощущения теперь приводят вас к описанию отличающейся истории.

В области психологии переписывание или переинтерпретация прошлого является общим местом; наша история прошлого часто лишь информирует о наших переживаниях в настоящем. Но в области физики – на той арене, которую мы обычно рассматриваем как объективную и высеченную в камне, – будущая случайность истории несколько переворачивает мозги. Чтобы проделать переворачивание еще более тщательно, Уилер представил космическую версию эксперимента с отложенным выбором, в которой источником света является не лабораторный лазер, а мощный квазар в глубине пространства. Лучевой разветвитель представляет собой не лабораторный прибор, а находящуюся на пути света галактику, чье гравитационное притяжение может действовать подобно линзе, которая фокусирует проходящие фотоны и направляет их к Земле, как на Рис. 7.3. Хотя никто на данный момент не проделал указанный эксперимент, в принципе, если собрать достаточно фотонов от квазара, они должны заполнить интерференционную картину на долго экспонирующейся фотографической пластине, точно так же, как и в эксперименте с лабораторным лучевым разветвителем. Но если мы введем другой детектор фотонов прямо рядом с окончанием одного или другого маршрута, он обеспечит информацию "выбора пути" для фотонов, таким образом разрушая интерференционную картину.

Что поражает в этой версии, так это то, что с нашей точки зрения фотоны могли путешествовать многие миллиарды лет. Их решение двигаться одним путем вокруг галактики, как частица, или обоими путями, как волна, кажется, было принято задолго до того, как возник детектор, любой из нас или даже сама Земля. Однако, миллиарды лет спустя детектор был построен, установлен на одном из путей фотонов, достигающих Земли, и включен. И это недавнее действие каким-то образом обеспечивает, что рассматриваемые фотоны ведут себя как частицы. Это действует так, как если бы они путешествовали вдоль в точности одного или другого пути в их долгом рейсе к Земле. Но если, спустя несколько минут, мы выключим детектор, фотоны, которые впоследствии достигают фотографической пластинки, начинают выстраивать интерференционную картину, свидетельствуя о том, что миллиарды лет назад они путешествовали следом за своими призрачными партнерами, выбирая одновременно противоположные пути вокруг галактики.




c:\0\tkankosmosa_files\ia4ca7cb561

Рис 7.3 Свет от удаленного квазара, рассеянный и сфокусированный промежуточной галактикой, в принципе, будет давать интерференционную картину. Если добавочный детектор, который позволяет для каждого фотона провести определение его пути, включен, достигающие Земли фотоны не будут больше заполнять интерференционную картину.
Так что же, наше включение или выключение детектора в двадцать первом столетии влияет на движение фотонов несколько миллиардов лет назад? Определенно нет. Квантовая механика не отрицает, что прошлое произошло и произошло окончательно. Недоразумение возникает просто потому, что концепция прошлого в соответствии с квантовой механикой отличается от концепции прошлого в соответствии с классической интуицией. Наше классическое воспитание долго заставляло нас говорить, что данный фотон это вот этот или вон тот. Но в квантовом мире, в нашем мире, это утверждение, примененное к реальным фотонам, оказывается слишком ограниченным. Как мы видели, в квантовой механике нормой является неопределенная, размытая, смешанная реальность, состоящая из многих нитей, которые кристаллизуются в более обычную, определенную реальность, только когда проведено подходящее наблюдение. Это не то, что фотон миллиарды лет назад решил пойти по одному пути вокруг галактики, или по другому пути или по обоим путям. Вместо этого на протяжении миллиардов лет он находился в квантовых стандартах – в смеси, гибриде возможностей.

Акт наблюдения связывает эту необычную квантовую реальность с повседневным классическим опытом. Наблюдения, которые мы проводим сегодня, вынуждают одну из нитей квантовой истории выделиться в нашем изложении прошлого. В этом смысле, хотя квантовая эволюция от прошлого к настоящему не подвергается влиянию чего-либо, что мы делаем сегодня, история, которую мы называем прошлым, может нести на себе следы сегодняшних действий. Если мы вставляем детекторы фотонов вдоль двух путей, по которым свет следует к экрану, тогда наш рассказ о прошлом будет включать описание того, какой путь выбрал каждый фотон; вставляя детекторы фотонов, мы обеспечиваем, что информация выбора пути является существенной и определенной частью нашей истории. Но если мы не вставляем детекторы фотонов, наше описание прошлого будет неизбежно другим. Без детекторов фотонов мы не можем сказать что-либо о том, каким путем следует фотон; без детекторов фотонов нюансы выбора пути фундаментально недоступны. Обе истории правомерны. Обе истории интересны. Они просто описывают разные ситуации.

Сегодняшние наблюдения могут, следовательно, помочь завершить историю, которую мы рассказываем о процессе, который начался вчера, или день назад или вообще миллиард лет назад. Сегодняшние наблюдения могут обрисовать разновидности деталей, которые мы можем и должны включить в сегодняшнее описание прошлого.
Разрушая прошлое

Важно отметить, что в этих экспериментах прошлое никоим образом не изменяется сегодняшними действиями и что никакая хитрая модификация экспериментов не достигнет этой скользкой цели. Тогда возникает вопрос: Если вы не можете изменить нечто, что уже произошло, можете ли вы сделать следующую лучшую вещь и разрушить его влияние на настоящее? В той или иной степени временами эта фантазия может быть реализована. Игрок в бейсбол, который, имея два аута в конце девятой подачи, не ловит рутинно летящий мяч, позволяет команде противника завершиться в один пробег, может удалить влияние этой ошибки впечатляющим ныряющим захватом подачи мяча при следующем ударе. И конечно, такой пример ни в малейшей степени не загадочен. Только когда событие в прошлом, кажется, определенно устраняется наступлением другого события в будущем (как пропущенный летящий мяч определенно устраняет прошлую безупречную игру), мы будем думать, что здесь что-то прорезалось, если мы все время говорили, что устраненное событие на самом деле произошло. Квантовый ластик (стиратель), впервые предложенный в 1982 Марианом Скалли и Каем Дриилом, намекает на этот вид странностей в квантовой механике.

Простейшая версия эксперимента с квантовым ластиком делается с использованием двухщелевой конфигурации, модифицированной следующим образом. Маркирующий прибор располагается фронтально перед каждой щелью; он отмечает каждый проходящий фотон так, что когда фотон исследуется позже, вы можете сказать, через какую щель он прошел. Вопрос о том, как вы можете обеспечить маркировку фотона – как вы можете сделать эквивалент нананесения "L" на фотон, который проходит через левую щель и "R" на фотон, который проходит через правую щель, – хороший вопрос, но детали не особенно важны. Грубо, процесс осуществляется с использованием прибора, который позволяет фотону свободно пройти через щель, но заставляет его спиновую ось выстроиться в определенном направлении. Если приборы перед левой и правой щелями управляют спинами фотонов особым, но определенным образом, то более утонченный детекторный экран, который не только регистрирует точку в месте падения фотона, но также и содержит запись об ориентации спина фотона, будет показывать, через какую щель пролетел данный фотон на своем пути к детектору.

Когда проводится этот двухщелевой эксперимент с маркировкой, фотоны не выстраивают интерференционную картину, как на Рис. 7.4а. Теперь уже объяснение должно быть привычным: новый маркирующий прибор позволяет собрать информацию выбора пути, а информация выбора пути отбирает ту или иную историю; результаты показывают, что любой данный фотон проходит или через левую щель или через правую щель. А без комбинации левощелевых и правощелевых траекторий нет перекрытия вероятностных волн, так что не создается интерференционная картина.

Теперь идея Скалли и Дриила. Что если сразу после падения фотона на детекторный экран вы уничтожите возможность определения, через какую щель он прошел, путем разрушения отметки, зафиксированной маркирующим прибором? Без возможности, даже в принципе, выделить информацию выбора пути из детектируемого фотона, оба класса историй опять возвращаются в игру, заставляя снова появляться интерференционную картину. Отметим, что этот вид "отмены" прошлого в дальнейшем попадает в шокирующую категорию куда дальше, чем ныряющий захват бейсболиста в девятой подаче. Когда маркирующий прибор включен, мы представляем, что фотон послушно ведет себя как частица, проходя через левую щель или через правую щель. Если как-нибудь сразу после его падения на экран мы разрушим метку выбора пути, отмечающую его движение, то кажется слишком поздно позволять формироваться интерференционной картине. Для интерференции нам надо, чтобы фотон вел себя как волна. Он должен проходить через обе щели, так что он может перемешаться сам с собой на пути к детекторному экрану. Но наша исходная маркировка фотона, кажется, гарантирует, что он ведет себя как частица и путешествует через левую или через правую щель, предотвращая появление интерференционной картины.

c:\0\tkankosmosa_files\iaef81a697d c:\0\tkankosmosa_files\i8909baa4df 

(а) (b)


Рис 7.4 В эксперименте квантового ластика оборудование располагается фронтально перед двумя щелями, маркируя фотоны, так что последующее измерение может выявить, через какую щель прошел каждый фотон. В (а) мы видим, что эта информация выбора пути портит интерференционную картину. В (b) сразу фронтально перед детекторным экраном вводится прибор, который разрушает маркировку фотонов. Поскольку информация выбора пути уничтожается, снова возникает интерференционная картина.
В эксперименте, проведенном Раймондом Чиао, Полом Квиатом и Эфраимом Стейнбергом, конфигурация была такой, как схематично показано на Рис. 7.4, с новым стирающим прибором, вставленным сразу во фронт перед детекторным экраном. Еще раз, детали не существенны, но коротко уточним, что стиратель работает, обеспечивая, что независимо от того, влетел ли фотон через левую или через правую щель, его спин оказывается выстроенным в одном и том же фиксированном направлении. Последующее изучение его спина, следовательно, не дает информации о том, через какую щель он прошел, так что метка выбора пути разрушена. Замечательно, что фотоны, обнаруженные на экране после этого разрушения, производят интерференционную картину. Когда ластик вставлен прямо во фронт детекторного экрана, он отменяет – он стирает влияние маркировки пути фотонов сзади, когда они достигали щелей. Как и в эксперименте с отложенным выбором, в принципе, такой вид разрушения мог появиться через миллиарды лет после влияния, которое он расстроил, фактически отменив прошлое, даже отменив древнее прошлое.

Как мы можем придать этому смысл? Ну, держим в уме, что результаты полностью согласуются с теоретическими предсказаниями квантовой механики. Скалли и Дриил предложили этот эксперимент, потому что их квантовомеханические вычисления убедили их, что он будет работать. И это произошло. Итак, как обычно с квантовой механикой, головоломка не противопоставляет теорию и эксперимент. Она противопоставляет теорию, согласующуюся с экспериментом, нашим интуитивным ощущениям времени и реальности. Чтобы удалить напряжение, отметим, что если вы поставили детекторы фотонов во фронт к каждой щели, показания детекторов будут восстанавливать с определенностью, прошел ли фотон через левую щель или через правую щель, и тогда не будет способа стереть такую определяющую информацию – тогда не будет способа получить обратно интерференционную картину. Но маркирующие приборы отличаются от этого, поскольку они обеспечивают только потенциальную возможность определения информации выбора пути – а потенциальные возможности являются просто разновидностями вещей, которые могут быть разрушены. Маркирующий прибор преобразует прохождение фотона таким образом, грубо говоря, что он все еще путешествует обоими путями, но левая часть его вероятностной волны размыта относительно правой, или правая часть его вероятностной волны размыта относительно левой. С другой стороны, упорядоченная последовательность пиков и впадин, которая обычно появляется от каждой щели – как на Рис. 4.2b – также размывается, так что интерференционная картина на детекторном экране не формируется. Хотя решающим явлением будет то, что обе волны, и левая и правая, все еще существуют. Стиратель действует, поскольку он расфокусирует волны. Подобно паре зеркал он компенсирует размытие, приводя обе волны назад в резкий фокус и позволяя им снова сложить интерференционную картину. Это так, как если бы после маркирующих приборов, выполнивших свою задачу, интерференционная картина исчезла из-под наблюдения, но терпеливо находилась бы в ожидании, пока кто-нибудь или что-нибудь не воскресил ее.

Это объяснение может сделать квантовый ластик немного менее поразительным, но тут имеется финал – ошеломляющая вариация эксперимента с квантовым ластиком, который еще больше бросает вызов привычным представлениям о пространстве и времени.
Формируя прошлое*

Этот эксперимент, квантовый ластик с отложенным выбором, также был предложен Скалли и Дриилом. Он начинается с эксперимента с лучевым разветвителем, показанным на Рис. 7.1, модифицированным путем введения двух так называемых понижающих преобразователей, по одному на каждый лучевой путь. Понижающий преобразователь это прибор, который получает один фотон на входе и производит два фотона на выходе, каждый с половиной энергии ("понижающее преобразование") от исходного. Один из двух фотонов (так называемый сигнальный фотон) направляется вдоль пути, по которому исходный фотон следовал кдетекторному экрану.


 (*)"Если вы найдете эту секцию трудной, вы можете спокойно двигаться к следующей секции без потери последовательности изложения. Но я призываю вас попытаться пройти через нее, так как результаты в полном смысле слова изумительны."
 Другой фотон, произведенный понижающим преобразователем (именуемый вспомогательным фотоном), посылается в совершенно другом направлении, как показано на Рис. 7.5а. В зависимости от того, на каком фотоне проводится эксперимент, мы можем определить, какой путь выбрал сигнальный фотон к экрану, путем наблюдения, какой понижающий преобразователь испустил вспомогательный фотон-партнер. И еще раз, возможность собрать информацию выбора пути о сигнальном фотоне – даже если она полностью косвенная, поскольку мы совсем не взаимодействуем ни с одним сигнальным фотоном – вызывает предотвращение появления интерференционной картины.

Теперь о самой причудливой части. Что если мы преобразуем эксперимент так, что сделаем невозможным определить, из какого понижающего преобразователя был испущен вспомогательный фотон? Что если, таким образом, мы разрушим информацию выбора пути, воплощенную во вспомогательном фотоне? Ну, кое-что поразительное произойдет: даже если мы ничего не делаем непосредственно с сигнальным фотоном, путем разрушения информации выбора пути, переносимой его вспомогательными партнерами, мы можем восстановить интерференционную картину из сигнальных фотонов. Позвольте мне показать вам, как это происходит, поскольку это на самом деле поразительно.

Посмотрим на Рис. 7.5b, который объединяет все существенные идеи. Но не пугайтесь. Он проще, чем кажется, и мы теперь пройдем через него поэтапно под руководством. Конфигурация на Рис. 7.5b отличается от конфигурации на Рис. 7.5а в отношении того, как мы детектируем вспомогательные фотоны после того, как они были эмитированы. На Рис. 7.5а мы детектировали их непосредственно, так что мы немедленно смогли определить, из какого понижающего преобразователя каждый произошел, – это значит, какой путь выбрал сигнальный фотон. В новом эксперименте каждый вспомогательный фотон был послан через лабиринт, чем поколебал нашу способность получить такую определенность. Например, представим, что вспомогательный фотон эмитирован из понижающего преобразователя, отмеченного "L". Вместо того, чтобы немедленно попасть в детектор (как на Рис. 7.5а), этот фотон послан на лучевой разветвитель (отмеченный "а"), так что имеет 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути, отмеченного "А", и 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути, отмеченнного "B". Если он направлен вдоль пути А, он влетит в детектор фотонов (отмеченный "1"), и его прибытие будет должным образом записано. Но если вспомогательный фотон направлен вдоль пути В, он вдобавок будет подвержен следующим штукам. Он будет направлен на другой лучевой разветвитель (отмеченный "с"), так что будет имееть 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути Е к детектору, отмеченному "2", и 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути "F" к детектору, отмеченному "3". Теперь – следите со мной, так как тут суть всего изложения – те же самые рассуждения, примененные к вспомогательному фотону, эмитированному из другого понижающего преобразователя, отмеченного "R", говорят нам, что если вспомогательный фотон направлен вдоль пути D, он будет записан детектором 4, но если он направлен вдоль пути С, он обнаружен или детектором 3, или детектором 2, в зависимости от пути, по которому он следовал после прохождения через лучевой разветвитель b.
c:\0\tkankosmosa_files\i45dd81fc2e 

(а) (b)


Рис 7.5 (а) Эксперимент с лучевым разветвителем, дополненный понижающими преобразователями, не дает интерференционной картины, поскольку вспомогательные фотоны обеспечивают информацию выбора пути. (b) Если вспомогательные фотоны не детектируются непосредственно, а вместо этого посылаются через изображенный лабиринт, тогда интерференционная картина может быть выделена из результатов эксперимента.

Вспомогательные фотоны, которые определяются детекторами 2 или 3, не дают информации выбора пути и, следовательно, их сигнальные фотоны заполняют интерференционную картину. <Расположение обозначений вверху: детектор 3, путь F, лучевой разветвитель c, путь E, детектор 2; слева: детектор 4, путь D, лучевой разветвитель b, путь C; справа: путь B, лучевой разветвитель a, путь A, детектор 1; в середине: понижающий преобразователь R, понижающий преобразователь L>.


Теперь рассмотрим, зачем мы добавили все эти усложнения. Отметим, что если вспомогательный фотон обнаружен детектором 1, мы знаем, что соответствующий сигнальный фотон выбрал левый путь, поскольку для вспомогательного фотона, который был эмитирован из понижающего преобразователя R, нет способа найти путь к этому детектору. Аналогично, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 4, мы знаем, что его сигнальный фотон-партнер выбрал правый путь. Но если вспомогательный фотон увлечен в детектор 2, мы не имеем идей о том, какой путь выбрал его сигнальный фотон-партнер, поскольку тут равные шансы, что он эмитирован понижающим преобразователем L и следует пути В-Е или что он эмитирован понижающим преобразователем R и следует пути С-Е. Сходным образом, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 3, он может быть эмитирован понижающим преобразователем L и путешествовать по пути В-F или понижающим преобразователем R и путешествовать по пути C-F. Так что для сигнального фотона, чьи вспомогательные партнеры обнаружены детектором 1 или 4, мы имеем информацию выбора пути, но для тех, чьи вспомогательные партнеры обнаружены детектором 2 или 3, информация выбора пути разрушена.

Означает ли стирание некоторой информации выбора пути – даже если мы ничего не делаем с сигнальными фотонами непосредственно – что интерференционные эффекты восстанавливаются? Это на самом деле происходит – но только для тех сигнальных фотонов, чьи вспомогательные партнеры попали в детектор 2 или детектор 3. То есть общая совокупность положений падения сигнальных фотонов на экран будет выглядеть подобно данным на Рис. 7.5а, не показывая даже самого слабого намека на интерференционную картину, что является характеристикой фотонов, которые путешествовали или одним, или другим путем. Но если мы сосредоточимся на подмножестве результирующих точек – например, от тех сигнальных фотонов, чьи вспомогательные фотоны влетели в детектор 2, – тогда это подмножество точек будет заполнять интерференционную картину! Эти сигнальные фотоны – чьи вспомогательные партнеры, так уж случилось, не обеспечили никакой информации выбора пути, – ведут себя, как если бы они путешествовали обоими путями! Если мы подключим оборудование так, что экран покажет красную точку для положения каждого сигнального фотона, чей вспомогательный фотон был обнаружен детектором 2, и зеленую точку для всех остальных, некоторые, у кого нарушено цветовосприятие, не будут видеть интерференционную картину, но остальные, тем не менее, будут видеть, что красные точки упорядочены в виде ярких и темных полос – интерференционной картины. То же самое останется правильным с детектором 3 на месте детектора 2. Но не будет такой интерференционной картины, если мы выделим сигнальные фотоны, чьи вспомогательные фотоны обнаружены детектором 1 или детектором 4, поскольку эти вспомогательные фотоны дают информацию выбора пути относительно своих партнеров.

Эти результаты – которые были подтверждены экспериментом[5] – великолепны: через присоединение понижающих преобразователей, которые потенциально могут обеспечить информацию выбора пути, мы теряем интерференционную картину, как на Рис. 7.5а. А без интерференции мы, естественно, заключали, что каждый фотон летел или вдоль одного пути или вдоль другого. Но теперь мы узнали, что это было опрометчивое заключение. Путем аккуратного удаления потенциальной информации выбора пути, переносимой некоторыми вспомогательными фотонами, мы можем добиться выделения из данных интерференционной картины, что свидетельствует, что некоторые фотоны на самом деле двигаются обоими путями.

Отметим также, возможно, самый яркий результат среди всех: три дополнительных лучевых разветвителя и четыре детектора вспомогательных фотонов могут располагаться на другой стороне лаборатории или даже на другой стороне вселенной, поскольку ничто в нашем обсуждении совершенно не зависело от того, будет ли получен данный вспомогательный фотон до или после того, как его сигнальный партнер попадет на экран. Тогда представим, что все эти приборы удалены на большое расстояние, скажем, на десять световых лет для определенности, и подумаем, что это за собой повлечет. Вы проводите эксперимент Рис. 7.5b сегодня, записывая – одно за другим – места падения гигантского числа сигнальных фотонов, и вы наблюдаете, что они не показывают и признаков интерференции. Если кто-нибудь попросит вас объяснить данные, у вас может возникнуть соблазн сказать, что из-за вспомогательных фотонов информация выбора пути имеет место, а значит каждый сигнальный фотон определенно летел вдоль левого или вдоль правого пути, уничтожая любую возможность интерференции. Но, как было видно выше, это будет опрометчивое заключение о происходящем; это будет совершенно необдуманное описание прошлого.

Вы видите десятью годами позднее, что четыре детектора фотонов получат – один за другим – вспомогательные фотоны. Если вы затем получаете информацию о том, какие вспомогательные фотоны попали, скажем, в детектор 2 (например, первый, седьмой, девятый, двенадцатый ... вспомогательные фотоны прибыли), и если вы тогда вернетесь к данным, которые вы собрали годами ранее и выделите соответствующие положения сигнальных фотонов на экране (например, первого, седьмого, девятого, двенадцатого ... сигнальных фотонов, которые прибыли), вы найдете, что выделенные данные заполняют интерференционную картину, что выявляет, что эти сигнальные фотоны должны описываться как проходившие через оба пути. В качестве альтернативы, если спустя 9 лет и 364 дня после того, как вы собрали данные по сигнальным фотонам, техник саботирует эксперимент путем удаления разветвителей а и b – гарантируя, что когда вспомогательные фотоны прибудут на следующий день, они все пойдут в детектор 1 или детектор 4, что сохранит всю информацию выбора пути, – тогда, когда вы получите эту информацию, вы сделаете заключение, что каждый сигнальный фотон двигался вдоль левого пути или вдоль правого пути, и интерференционная картина не может быть извлечена из данных по сигнальным фотонам. Так что, как убедительно проясняет это обсуждение, история, которую вы рассказываете, чтобы объяснить данные по сигнальным фотонам, существенно зависит от измерений, проведенных на десять лет позже, чем эти данные были собраны.

Позвольте мне еще раз подчеркнуть, что будущие измерения совершенно не изменяют чего-либо из вещей, которые имели место в вашем сегодняшнем эксперименте; будущие измерения никоим образом не изменяют данные, которые вы собрали сегодня. Но будущие измерения влияют на виды деталей, которые вы можете привлечь, когда в дальнейшем будете описывать то, что произошло сегодня. Перед тем, как вы получите результаты измерений вспомогательных фотонов, вы на самом деле совсем не можете сказать чего-либо об истории выбора пути любого данного сигнального фотона. Однако, раз уж вы получили результаты, вы заключаете, что сигнальные фотоны, чьи вспомогательные партнеры успешно использованы для определения информации выбора пути, могут быть описаны как путешествовавшие – годы назад – либо слева либо справа. Вы также придете к заключению, что сигнальные фотоны, чьи вспомогательные партнеры разрушили их информацию выбора пути, не могут быть описаны как определенно проходившие – годы назад – по одному или по другому пути (заключение, которое вы можете убедительно подтвердить с использованием вновь полученных данных по вспомогательным фотонам, чтобы выявить ранее скрытую интерференционную картину среди этого более позднего класса сигнальных фотонов). Мы, таким образом, видим, что будущее помогает сформировать историю, которую вы рассказываете о прошлом.

Эти эксперименты впечатляюще конфликтуют с нашими обычными представлениями о пространстве и времени. Нечто, что имеет место намного позже и очень далеко от чего-то другого, тем не менее существенно для нашего описания этого чего-то другого. По классическому счету – здравому смыслу – это просто сумасшествие. Конечно, тут важно, что классические оценки являются ложным видом оценок для использования в квантовой вселенной. Мы узнали из обсуждения Эйнштейна-Подольского-Розена, что квантовая физика нелокальна в пространстве. Если вы полностью усвоили этот урок – выдержав его, чтобы согласиться с его внутренней правильностью, – эти эксперименты, которые включают в себя разновидности запутывания через пространство и через время, могут не показаться совсем уж неземными. Но по стандартам повседневного опыта они таковыми определенно являются.
Квантовая механика и опыт

В течение нескольких дней после того, как я впервые узнал об этих экспериментах, я помню свое воодушевление. Я чувствовал, что мне дали мельком увидеть скрытую сторону реальности. Здравый смысл – земная, обыкновенная, повседневная деятельность – внезапно оказался частью классической шарады, скрывающей истинную природу нашего квантового мира. Мир повседневности внезапно оказался ничем иным, как вывернутым наизнанку магическим действием, внушившим своим зрителям веру в обычные, привычные концепции пространства и времени, в то время как удивительная истина квантовой реальности лежит, ускользая от взгляда, тщательно защищенная природой.

В последние годы физики потратили много усилий в попытках объяснить правила природы, – чтобы точно постичь, как фундаментальные законы квантовой физики преобразуются в классические законы, которые столь успешны при объяснении общепринятого опыта, – в сущности, чтобы постичь, как атомное и субатомное сбрасывает свою магическую причудливость, когда оно объединяется, чтобы сформировать макроскопические объекты. Исследования продолжаются, но многое уже изучено. Посмотрим на некоторые аспекты, особенно уместные в связи с вопросом о стреле времени, но теперь с точки зрения квантовой механики.

Классическая механика основывается на уравнениях, которые Ньютон открыл в поздние 1600е годы. Электромагнетизм основывается на уравнениях, которые Максвелл открыл в поздние 1800е годы. СТО основывается на уравнениях, которые открыл Эйнштейн в 1905, а ОТО основывается на уравнениях, которые он открыл в 1915. Что все эти уравнения имеют общего, и что является центральным в дилемме стрелы времени (как объясняется в предыдущей главе), так это их полностью симметричное рассмотрение прошлого и будущего. Нигде в любом из этих уравнений нет чего-либо, что различает время, направленное "вперед", от времени, направленного "назад". Прошлое и будущее рассматриваются на одинаковых основаниях.

Квантовая механика основывается на уравнении, которое Эрвин Шредингер открыл в 1926.[6] Вам не нужно знать чего-либо об этом уравнении, кроме того факта, что оно принимает в качестве входных данных форму квантовомеханической вероятностной волны в один момент времени, как на Рис. 4.5, и позволяет определить, как вероятностная волна будет выглядеть в любой другой момент времени, более ранний или более поздний. Если вероятностная волна ассоциируется с частицей, такой как электрон, вы можете использовать ее для предсказания вероятности того, что в любое выделенное время эксперимент найдет электрон в любом выделенном месте. Подобно классическим законам Ньютона, Максвелла и Эйнштейна квантовый закон Шредингера включает в себя равноправное рассмотрение времени-будущего и времени-прошлого. "Фильм", показывающий вероятностную волну стартующей в таком виде и заканчивающей в этаком виде, может быть запущен в обратном направлении, – показывая вероятностную волну, стартующую в этаком виде, а заканчивающую в таком виде, – и нет способа сказать, что одна эволюция правильна, а другая ложна. Обе одинаково являются решениями уравнения Шредингера. Обе одинаково представляют осмысленные пути, по которым вещи могут эволюционировать.[7]

Конечно, "фильм", о котором идет речь полностью отличается от аналогов, использованных при анализе движения теннисного мяча или разбивающегося яйца в последней главе. Вероятностные волны не есть вещи, которые мы можем видеть непосредственно; не существует камеры, которая могла бы зафиксировать вероятностные волны на пленку. Вместо этого, мы можем описать вероятностные волны с использованием математических уравнений, и перед нашим мысленным взором мы можем представить простейшие из них, имеющие форму как на Рис. 4.5 и 4.6. Но единственный доступ, который мы имеем к самим вероятностным волнам, является косвенным, через процесс измерения. Это есть, как было обрисовано в Главе 4 и неоднократно было видно в рассмотренных выше экспериментах, стандартная формулировка квантовой механики, описывающая разворачивание явлений с использованием двух совершенно отличных этапов. На первом этапе вероятностная волна – или, на более точном полевом языке, волновая функция – объекта, такого как электрон, эволюционирует в соответствии с уравнением, открытым Шредингером. Это уравнение гаранирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно, почти как водяная волна изменяет свою форму, когда путешествует от одного берега озера к другому.* В стандартном описании второго этапа мы осуществляем контакт с наблюдаемой реальностью путем измерения положения электрона, и когда мы так делаем, форма его волновой функции резко и прерывисто изменяется. Волновая функция электрона больше не похожа на более привычные примеры вроде водяных волн или волн звука: когда мы измеряем положение электрона, его волновая функция вздымается пиком или, как показано на Рис. 4.7, схлопывается, падая до величины 0 везде, где частица не найдена, и возрастая до 100 процентов вероятности в единственном положении, где частица найдена измерением.

Первый этап – эволюция волновой функции в соответствии с уравнением Шредингера – математически строгий, полностью недвусмысленный и полностью принятый физическим сообществом. Второй этап – коллапс волновой функции при измерении – наоборот, является чем-то, что на протяжении последних восьми десятков лет, в лучшем случае, держит физиков в тихом смущении, а в худшем провоцирует проблемы, загадки и потенциальные парадоксы, которые разрушают карьеры. Сложность, как отмечалось в Главе 4, в том, что в соответствии с уравнением Шреднигера волновые функции не коллапсируют. Коллапс волновой функции представляет собой добавление. Оно было введено после открытия Шреднгером своего уравнения в попытке оценить, что же экспериментаторы на самом деле видят. Хотя сырая, несколлапсированная волновая функция воплощает странную идею, что частица находится и тут и там, экспериментаторы никогда не видят этого. Они всегда находят частицу определенно в том или ином положении; они никогда не видят ее частично тут, а частично там; игла в их измерительных приборах никогда не зависает в нерешительности в некоторой призрачной смеси, отмечая и эту величину и также ту величину.

То же самое происходит, конечно, при наших собственных бессистемных наблюдениях окружающего нас мира. Мы никогда не наблюдаем, чтобы кресло было и тут, и там; мы никогда не наблюдаем Луну одновременно в одной части ночного неба, а также и в другой; мы никогда не видим кота, который одновременно и жив, и мертв. Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путем постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределенности и ввести одну из множества потенциальных возможностей (частица здесь или частица там) в реальность.


(*)"Квантовая механика справедливо имеет репутацию чего-то гладкого и постепенного; однако, как мы явно увидим в последних главах, она обнаруживает турбулентный и дрожащий микрокосмос. Причиной этого дрожания является вероятностная природа волновой функции – даже если вещи могут существовать одним способом в один момент, имеется вероятность, что они будут существенно отличаться моментом позже, – а не всегда присутствующие дрожания, характеризующие саму волновую функцию."
Загадка квантового измерения

Но как проведение измерения экспериментатором принуждает волновую функцию к коллапсу? Фактически, когда реально происходит коллапс волновой функции, и если он происходит, что реально происходит на микроскопическом уровне? Вызывают ли коллапс любое и всякое измерения? Когда происходит коллапс и как долго это длится? Поскольку в соответствии с уравнением Шредингера волновая функция не коллапсирует, какое уравнение описывает второй этап квантовой эволюции и как новое уравнение свергает шредингеровское, узурпируя его обычную нерушимую власть над квантовыми процессами? И, что важно для нашего текущего отношения со стрелой времени, в то время, как уравнение Шредингера, уравнение, которое управляет первым этапом, не делает различий между прямым и обратным направлением во времени, вводит ли уравнение для второго этапа фундаментальную асимметрию между временем до и временем после того, как измерение произведено? То есть вводит ли квантовая механика, включая ее сопряжение с повседневным миром через измерения и наблюдения, стрелу времени в основные законы физики? Как никак, мы обсудили ранее, как квантовая трактовка прошлого отличается от трактовки прошлого в классической физике и что мы подразумевали под прошлым перед тем, как отдельные измерения и наблюдения имели место. Так, делая измерения, воплощенные во втором этапе коллапса волновой функции, устанавливаем ли мы асимметрию между прошлым и будущим, между до и после того, как измерение проведено?

Эти вопросы упорно сопротивляются полному решению и они остаются спорными. Тем не менее, после десятилетий, предсказательную мощь квантовой теории тяжело скомпроментировать. Формулировка квантовой теории в виде этапа один/этапа два, даже если этап два остается таинственным, предсказывает вероятности измерений одного результата за другим. И эти предсказания подтверждены повторением заданных экспериментов снова и снова и проверкой частоты, с которой тот или иной результат найден. Фантастический экспериментальный успех этого подхода намного перевешивает дискомфорт от отсутствия точного описания того, что на самом деле происходит на втором этапе.

Но дискомфорт всегда рядом. И он означает не просто, что некоторые детали коллапса волновой функции не вполне выяснены. Проблема квантового измерения, как она называется, является предметом спора, что говорит о пределах и универсальности квантовой механики. Это просто увидеть. Подход с этапом один/этапом два вводит раскол между тем, что наблюдается (электрон, или протон или атом, например) и экспериментатором, который наблюдает. Перед тем, как экспериментатор появляется на сцене, волновая функция счастливо и плавно эволюционирует в соответствии с уравнением Шредингера. Но тогда, когда экспериментатор вмешивается с вещами для проведения измерения, правила игры неожиданно меняются. Уравнение Шредингера отбрасывается в сторону и наступает коллапс из второго этапа. И еще, раз уж нет разницы между атомами, протонами и электронами, которые составляют экспериментатора и оборудование, которое он или она использует, и атомами, протонами и электронами, которые он или она изучает, так почему же имеется разрыв в том, как квантовая механика трактует их? Если квантовая механика является универсальной теорией, которая применима без ограничений к чему угодно, наблюдаемое и наблюдатель должны рассматриваться в точности одинаковым образом.

Нильс Бор был не согласен. Он утверждал, что экспериментаторы и их оборудование отличаются от элементарных частиц. Даже если они сделаны из одинаковых частиц, они являются "большими" собраниями элементарных частиц и, следовательно, управляются законами классической физики. Где-то между мельчайшим миром индивидуальных атомов и субатомных частиц и привычным миром людей и их оборудования правила меняются, поскольку меняются размеры. Мотивировка объявления этого разделения ясна: малые частицы в соответствии с квантовой механикой могут быть локализованы в размытой смеси тут и там, тогда как мы не видим подобного поведения в большом, повседневном мире. Но где точно находится граница? И, что жизненно важно, как два набора правил согласуются, когда большой повседневный мир сталкивается с очень маленьким миром атомов, как в случае измерения? Бор настойчиво декларировал, что эти вопросы находятся за теми пределами, для которых они предназначены, вернее говоря, что они находятся вне границ, в которых он или кто-либо еще может дать ответ. И поскольку даже без обращения к ним теория дает поразительно точные предсказания, долгое время такие проблемы выпадали из списка важнейших вопросов, которые физики продвигали к решению.

Но, чтобы понять квантовую механику полностью, чтобы полностью определить, что она говорит о реальности, и чтобы установить, какую роль она может играть в установлении направления стрелы времени, мы должны прийти к пониманию проблемы квантового измерения.

В следующих двух секциях мы опишем некоторые из наиболее заметных и многообещающих попыток сделать это. Результат, к которому вы можете в любой момент перепрыгнуть вперед к последней секции, фокусируясь на квантовой механике и стреле времени, таков, что более хитроумная работа с проблемой квантового измерения дает существенный прогресс, но общепризнанное решение все еще оказывается вне нашей досягаемости. Многие рассматривают это как один из наиболее важных пробелов в нашей формулировке квантовых законов.

Реальность и проблема квантового измерения

На протяжении лет было много предложений для решения проблемы квантового измерения. Ирония заключается в том, что, хотя они влекли за собой отличающиеся концепции реальности, – некоторые радикально отличающиеся, – когда они подходили к предсказаниям того, что исследователь будет измерять почти в любом эксперименте, все они сходились во взглядах и каждое работало подобно заклинанию. Каждое предложение принимало вид одного и того же шоу, даже если, когда вы бросите взгляд за сцену, вы увидите, что их способы действия существенно отличаются.

Когда дело доходит до развлечений, вы обычно не хотите знать, что происходит за кулисами; вы полностью довольствуетесь тем, что обращаете все внимание исключительно на результат. Но когда речь идет о понимании вселенной, имеется ненасытное побуждение отдернуть все занавески, открыть все двери и полностью выявить глубинные внутренние механизмы реальности. Бор рассматривал это побуждение как безосновательное и вводящее в заблуждение. Для него реальность была представлением. Подобно монологу Сполдинга Грея* неприукрашенные измерения экспериментатора являются целым шоу. Они не являются ничем другим. Согласно Бору там нет понятия "за сценой". Пытаться проанализировать, как, когда и почему квантовая волновая функция отбрасывает все возможности, кроме одной, и производит отдельное определенное число на измерительном приборе, ошибочная цель. Измеренное число само является всем, что заслуживает внимания.

Этот взгляд держался у власти в течение десятилетий. Однако, хотя его успокаивающее воздействие на ум боролось с квантовой теорией, он не смог помочь почувствовать, что фантастическая предсказательная сила квантовой механики означает, что имеется ответвление в скрытую реальность, которая лежит в основе механизмов вселенной. Он не смог помочь желанию идти дальше и понять, как квантовая механика связана со здравым смыслом – как она перекрывает пропасть между волновой функцией и наблюдением, и что за скрытая реальность лежит в основе наблюдений. Через годы многие исследователи приняли этот вызов; ниже приводятся некоторые предложения, которые они разработали.
(*)"Сполдинг Грей (р. 1941) – американский актер и сценарист, знаменитый своими моноспектаклями, считающимися образцом острого и едкого юмора". – (прим. перев.)"
Один подход с историческими корнями, восходящими к Гейзенбергу, заключается в отказе от взгляда, что волновые функции есть объективные особенности квантовой реальности, и, вместо этого, в рассмотрении их только как воплощений того, чего мы знаем о реальности. Перед тем, как мы проводим эксперимент, мы не знаем, где находится электрон и, как предполагает этот взгляд, наше неведение относительно его расположения отражается электронной волновой функцией, описывая его как, возможно, находящегося в ряде различных положений. Однако, в момент, когда мы измеряем его положение, наше знание о его местоположении внезапно изменяется: теперь мы знаем его положение, в принципе, с абсолютной точностью. (По принципу неопределенности, если мы знаем его положение, мы неизбежно будем полностью в неведении относительно его скорости, но это не является предметом текущего обсуждения). Это резкое изменение наших знаний, в соответствии с данными взглядами, отражается в резком изменении в электронной волновой функции: она внезапно коллапсирует и принимает форму пика, как на Рис. 4.7, фиксируя наше точное знание положения электрона. В таком подходе, следовательно, резкий коллапс волновой функции совершенно не удивителен: он есть ничто иное, как резкое изменение в знании, которое мы все ощущаем, когда мы изучаем что-либо новое.

Второй подход, инициированный в 1957 году студентом Уилера Хью Эвереттом, отрицает, что волновая функция когда-либо коллапсирует. Вместо этого любой и каждый потенциальный результат, воплощенный в волновой функции, видит свет дня; однако, свет дня, который каждый видит, распространяется через его собственную отдельную вселенную. В этом подходе, многомировой интерпретации, понятие "вселенная" расширяется, чтобы включить бесчисленные "параллельные вселенные" – бесчисленные версии нашей вселенной, – так что все, что может произойти по предсказаниям квантовой механики, даже если его вероятность ничтожна, происходит, по меньшей мере, в одной копии. Если волновая функция говорит, что электрон может быть здесь, там и чересчур далеко, тогда в одной вселенной ваша копия найдет его здесь; в другой вселенной другая ваша копия найдет его там; а в третьей вселенной еще один вы найдет электрон чересчур далеко. Последовательность наблюдений, которую мы каждый делаем от одной секунды к следующей, таким образом отражает реальность, имеющую место только в одной части этой чудовищной, бесконечной сети вселенных, каждая из которых населена копиями вас и меня и любого другого, кто еще живет во вселенной, в которой определенное наблюдение дало определенный результат. В одной такой вселенной вы сейчас читаете эти слова, в другой вы прервались, чтобы полазить по Интернету, еще в другой вы с большим волнением дожидаетесь, когда поднимется занавес перед вашим дебютом на Бродвее. Это похоже на то, как если бы был не единственный блок пространства-времени, изображенный на Рис. 5.1, а бесконечное количество, среди которых каждый реализует один возможный путь сбытий. В многомировой интерпретации, следовательно, ни один потенциальный результат просто не остается потенциальным. Волновые функции не коллапсируют. Каждый потенциальный результат проявляется в одной из параллельных вселенных.*


 (*)"Стоит отметить, что при всей его экстравагантности результат Эверетта является следствием аккуратного решения уравнения Шредингера для объединенной системы, включающей как измеряемый микрообъект, так и экспериментатора с его приборами и памятью, причем без вводимого руками коллапса волновой функции. Решение никто не опроверг с момента его появления в 1957, но при этом многомировая интерпретация многими была воспринята как нечто, о чем не принято говорить в приличном физическом обществе. (Что, кстати, вынудило Эверетта оставить науку). Так Бор незадолго до своей смерти отказался обсуждать с Эвереттом его скандальный результат. Нобелевский лауреат В.Л. Гинзбург на вопрос о подходе Эверетта сухо заметил: "Я в это не верю". – (прим. перев.)"
Третье предложение, разработанное в 1950е Дэвидом Бомом, – тем самым физиком, с которым мы сталкивались в Главе 4, когда обсуждали парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, – принимает совершенно другой подход.[8] Бом утверждал, что частицы, такие как электроны, обладают определенными положениями и определенными скоростями, точно как в классической физике, и точно так, как на это надеялся Эйнштейн. Но, в соответствии с принципом неопределенности, эти свойства скрыты от рассмотрения; они являются примерами скрытых переменных, отмеченных в Главе 4. Вы не можете определить обе переменные одновременно. По Бому такая неопределенность представляет предел того, что мы можем знать, но ничего не предполагает о действительных атрибутах самих частиц. Его подход не разрушается от столкновения с результатом Белла, поскольку, как мы обсуждали выше в конце Главы 4, обладание определенными свойствами, запрещенными принципом неопределенности, не исключено; исключена только локальность, а подход Бома нелокален.[9] Напротив, Бом представил, что волновая функция частицы является другим, отдельным элементом реальности, таким, который существует в дополнение к самой частице. Нет частиц или волн, как полагала философия дополнительности Бора; в соответствии с Бомом, есть частицы и волны. Более того, Бом постулировал, что волновая функция частицы взаимодействует с самой частицей – она "направлят" частицу или "помыкает" ей – таким образом, что определяет ее последовательное движение. В то время, как этот подход полностью согласуется с успешными предсказаниями стандартной квантовой механики, Бом нашел, что изменения волновой функции в одном месте могут немедленно подтолкнуть частицу в удаленном месте, что явно обнаруживает нелокальность его подхода. В эксперименте с двумя щелями, например, каждая частица двигается через одну щель или через другую, тогда как их волновые функции двигаются через обе щели и допускают интерференцию. Поскольку волновая функция управляет движением частицы, не будет уж очень удивительным, что уравнения показывают, что частица охотнее приземляется там, где величина волновой функции велика, и она неохотно приземляется там, где последняя мала, что объясняет данные на Рис. 4.4. В подходе Бома нет отдельного этапа коллапса волновой функции, поскольку, если вы измеряете положение частицы и находите ее здесь, это в самом деле место, возле которого она была моментом раньше, чем измерение имело место.

Четвертый подход, разработанный итальянскими физиками Джанкарло Жирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером, предпринял смелые действия по модификации уравнения Шредингера неким хитрым способом, что приводит в почти любом эффекте к "обычной" эволюции волновой функции индивидуальной частицы, но имеет драматическое влияние на квантовую эволюцию, когда это применяется к "большим" повседневным объектам. Предложенная модификация полагает, что волновые функции в своей основе нестабильны; даже без вмешательства, которое предпринимает исследователь, рано или поздно каждая волновая функция коллапсирует по своему собственному желанию к пикообразной форме. Для индивидуальной частицы Жирарди, Римини и Вебер постулировали, что коллапс волновой функции происходит спонтанно и хаотично, возникая, в среднем, только раз за каждый миллиард лет или около того.[10] Это настолько редко, что это вносит только очень слабое изменение в обычное квантовомеханическое описание индивидуальной частицы, и это хорошо, поскольку квантовая механика описывает микромир с беспрецедентной точностью. Но для больших объектов, таких как экспериментатор и его оборудование, которые имеют миллиарды и миллиарды частиц, частота будет настолько выше, что в мельчайшую долю любой заданной секунды постулированный спонтанный коллапс произойдет, по меньшей мере, с одной отдельной частицей, заставив ее волновую функцию схлопнуться. И, как утверждали Жирарди, Римини, Вебер и другие, запутанная природа всех индивидуальных волновых функций в большом объекте обеспечивает, что этот коллапс инициирует разновидность квантового эффекта домино, при котором волновые функции всех составляющих частиц тоже коллапсируют. Так как это происходит в короткую долю секунды, предлагаемая модификация обеспечивает, что большие объекты, по существу, всегда находятся в одной определенной конфигурации: показания измерительного оборудования всегда указывают на одну определенную величину; Луна всегда находится в одном определенном положении в небе; эксперименты внутри мозга всегда дают одно определенное ощущение; коты всегда или мертвы или живы.

Каждый из этих подходов, равно как и ряд других, которые мы не хотим обсуждать, имеет своих сторонников и противников. Подход "волновой функции как знания" ловко обходит проблему коллапса волновой функции путем отрицания какой-либо реальности волновых функций, сводя их вместо этого всего лишь к способам описания того, что мы знаем. Но почему, спросит противник, фундаментальная физика должна быть так тесно связана с человеческой осведомленностью? Если мы здесь не наблюдаем мир, волновые функции никогда не будут коллапсировать или вообще сама концепция волновой функции не будет существовать? Разве вселенная была совершенно другим местом до того, как на планете Земля развилось человеческое сознание? Что если вместо человеческих экспериментаторов наблюдателями являются только мыши, или муравьи, или амебы или компьютеры? Будет ли изменение в их "знании" адекватно ассоциироваться с коллапсом волновой функции?[11]

Напротив, многомировая интерпретация избегает самого понятия коллапса волновой функции, поскольку в этом подходе волновые функции не схлопываются. Но ценой за это является чудовищное разрастание вселенных, это многие противники находят нетерпимо непомерным.[12] Подход Бома также избегает коллапса волновой функции; но, утверждают его противники, допуская независимую реальность как частиц, так и волн, теория испытывает недостаток экономичности. Более того, справедливо утверждают противники, в формулировке Бома волновые функции могут оказывать влияние быстрее-чем-свет на частицы, которые они подталкивают. Сторонники замечают, что недовольство создателем в лучшем случае субъективно, и последнее согласуется с нелокальностью Белла, оказывающейся неизбежной, так что критика также не убедительна. Тем не менее, вообще то неоправданно, подход Бома никогда не становился модным.[13] Подход Жирарди-Римини-Вебера работает с коллапсом волновой функции непосредственно через изменения уравнений для включения нового спонтанного механизма схлопывания. Но, отмечают противники, тут все еще нет и намека на экспериментальное подтверждение, поддерживающее предложенную модификацию уравнения Шредингера.

Исследовательский поиск твердой и полностью прозрачной связи между формализмом квантовой механики и опытом повседневной жизни будет, несомненно, продолжаться в течение некоторого времени до готовности, и тяжело сказать, если это вообще будет иметь место, который из известных подходов в конечном счете добьется согласия большинства. Если бы физики сегодня проголосовали, я не думаю, что нашелся бы несомненный фаворит. К несчастью, экспериментальные данные могут оказать ограниченную помощь. Хотя предложение Жирарди-Римини-Вебера делает предсказания, которые могут в определенных ситуациях отличаться от стандартной квантовой механики с ее этапом один/этапом два, отклонения слишком малы, чтобы их можно было зафиксировать современной технологией. Ситуация с другими тремя предложениями еще хуже, поскольку они еще более решительно препятствуют экспериментальной верификации. Они полностью согласуются со стандартным подходом, так что каждое дает одинаковые предсказания для вещей, которые могут быть подвергнуты наблюдению и измерены. Они отличаются только в отношении того, что происходит за кулисами, если происходит. Что означает, они отличаются только в отношении того, что квантовая механика содержит в себе как лежащую в основе природу реальности.

Даже если проблема квантовых измерений остается нерешенной, на протяжении последних нескольких десятилетий в разработке находилась система взглядов, которая, хотя все еще неполная, имеет широко распространенную поддержку как перспективная составляющая любого жизнеспособного решения. Она называется декогерентность.


Декогерентность и квантовая реальность

Когда вы впервые сталкиваетесь с вероятностным аспектом квантовой механики, естественной реакцией является подумать, что это не более экзотично, чем вероятности, которые возникают при подбрасывании монетки или вращении рулетки. Но когда вы знакомитесь с квантовой интерференцией, вы осознете, что вероятность входит в квантовую механику намного более фундаментальным образом. В повседневных примерах различные результаты – орел против решки, красное против черного, один лотерейный номер против другого – объясняются вероятностями с пониманием, что тот или иной результат определенно произойдет и что каждый результат является конечным продуктом независимой, определенной истории. Когда монета подбрасывается, временами вращательное движение таково, что прямо с броска выходит орел, а временами таково, что прямо с броска выходит решка. Вероятностью 50 на 50 мы обозначаем, что каждый исход относится не просто к конечному результату – орел или решка – но также к истории, которая привела к каждому результату. Половина возможных способов, которыми вы можете подбросить монету, приведут к орлу, а половина к решке. Сами истории, однако, являются полностью разделенными, изолированными альтернативами. Нет смысла интересоваться, в каких различных движениях монеты альтернативы усиливают друг друга, а в каких гасят. Все они независимы.

Но в квантовой механике ситуация другая. Альтернативные пути, по которым электрон может следовать через две щели к детектору не есть отдельные, изолированные истории. Возможные истории смешиваются, чтобы произвести наблюдаемый результат. Некоторые пути усиливают друг друга, тогда как другие уничтожают друг друга. Такая квантовая интерференция между различными возможными историями отвечает за картину светлых и темных полос на детекторном экране. Так что вопиющее различие между квантовым и классическим представлением о вероятности заключается в том, что первое предрасполагает к интерференции, а последнее нет.

Декогерентность является широко распространенным явлением, которое формирует мост между квантовой физикой малого и классической физикой не столь уж малого через подавление квантовой интерференции – это значит, через резкое уменьшение основного различия между квантовыми и классическими вероятностями. Важность декогерентности была осознана давно, еще в ранние времена квантовой теории, но ее современное возрождение отсчитывается от плодотворной статьи немецкого физика Дитера Зея в 1970 году,[14] и с тех пор разрабатывалось многими исследователями, включая Эрика Йоса, тоже из Германии, и Войцеха Цурека из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории в Нью-Мексико.

Идея такова. Когда уравнение Шредингера применяется в простой ситуации, такой как отдельный изолированный фотон, проходящий через экран с двумя щелями, оно вызывает известную интерференционную картину. Но тут имеются две весьма специфических особенности лабораторного примера, которые не характеризуют события реального мира. Первая, вещи, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, больше и более сложны, чем отдельный фотон. Вторая, вещи, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, не изолированы: они взаимодействуют с нами и с окружающей средой. Книга, находящаяся сейчас в ваших руках, подвергается контакту с человеком и, более общо, постоянно подергается ударам фотонов и молекул воздуха. Более того, поскольку сама книга сделана из многих молекул и атомов, эти постоянно дрожащие составляющие непрерывно отскакивают друг от друга. То же самое справедливо для стрелок измерительных приборов, для котов, для человеческих мозгов и просто для всего, с чем вы сталкиваетесь в повседневной жизни. На астрофизическом масштабе Земля, Луна, астероиды и другие планеты непрерывно бомбардируются фотонами от Солнца. Даже частичка пыли, плавающая в темноте внешнего пространства подвергается непрерывным толчкам от низкоэнергетических микроволновых фотонов, которые распространились по пространству через короткое время после Большого взрыва. Итак, чтобы понять, что квантовая механика говорит о событиях реального мира, – в противоположность чистым лабораторным экспериментам, – мы должны применить уравнение Шредингера к этим более сложным "грязным" ситуациям.

По существу, тем, что подчеркнул Зей и его работа вместе со многими другими, кто двигался следом, было показано нечто совершенно удивительное. Хотя фотоны и молекулы воздуха слишком малы, чтобы оказывать любой существенный эффект на движение большого объекта вроде книги или кота, они в состоянии сделать кое-что другое. Они непрерывно "подталкивают" волновую функцию большого объекта или, говоря на языке физики, они возмущают ее когерентность: они размазывают ее упорядоченную последовательность пиков, следующих за впадинами, следующими за пиками. Это критично, поскольку упорядоченность волновой функции является центральным свойством для генерирования интерференционных эффектов (см. Рис. 4.2). Итак, почти как добавление маркирующих приборов в эксперимент с двумя щелями размазывает результирующую волновую функцию и поэтому размывает интерференционные эффекты, постоянная бомбардировка объектов составляющими их окружающей среды также размывает возможность интерференционных явлений. С другой стороны, раз уж квантовая интерференция больше невозможна, вероятности, присущие квантовой механике, для всех практических целей точно подобны вероятностям, присущим подбрасываемой монете и вращающейся рулетке. Раз уж декогерентность окружающей среды размазывает волновую функцию, экзотическая природа квантовых вероятностей растворяется в более привычных вероятностях повседневной жизни.[15] Это предполагает разрешение загадки квантового измерения, которое, если осуществится, будет поистине одной из лучших вещей, на которые мы можем надеяться. Я сначала опишу его в наиболее оптимистичном свете, а затем сделаю акцент на том, что все еще требует доработки.

Если волновая функция изолированного электрона показывает, что он имеет, скажем, 50 процентов шансов находиться здесь и 50 процентов шансов находиться там, мы должны интерпретировать эти вероятности, используя полностью отработанное предсказание квантовой механики. Поскольку обе альтернативы могут обнаружиться смешанными и генерировать интерференционную картину, мы должны думать и них как о реальных в равной степени. На неточном языке: имеется ощущение, что электрон находится в обоих положениях. Что случится теперь, если мы измерим положение электрона неизолированными лабораторными инструментами обычного размера? Ну, в соответствии с неопределенностью местонахождения электрона стрелка инструмента имеет 50 процентов шансов указать на эту величину и 50 процентов шансов указать на ту величину. Но вследствие декогерентности стрелка не будет находиться в призрачной смеси, указывая на обе величины; вследствие декогерентности мы можем интерпретировать эти вероятности в обычном, классическом, повседневном смысле. Точно как монета имеет 50 процентов шансов упасть орлом и 50 процентов шансов упасть решкой, но падает или орлом или решкой, стрелка прибора имеет 50 процентов шансов указать на эту величину и 50 процентов шансов указать на ту величину, но она определенно укажет на одну или на другую.

Сходные рассуждения применяются для всех других сложных неизолированных объектов. Если квантовые расчеты показывают, что кот, сидя в закрытом ящике, имеет 50 процентов шансов быть мертвым и 50 процентов шансов быть живым – поскольку имеется 50 процентов шансов, что электрон ударится в механизм мины-ловушки, который подвергнет кота действию ядовитого газа, – то декогерентность означает, что кот не будет пребывать в некотором абсурдном смешанном состоянии и жизни и смерти. Хотя десятилетия жарких дебатов обсуждали проблемы вроде: Что означает для кота быть одновременно мертвым и живым? Как акт открытия ящика и наблюдения кота заставит его выбрать определенное состояние, смерти или жизни? Декогерентность означает, что задолго до того, как вы откроете ящик, окружающая среда уже завершила милиарды наблюдений, что, почти совсем без затрат времени, заменило все мистические квантовые вероятности на их менее мистических классических двойников. Задолго до того, как вы посмотрели внутрь, окружающая среда заставила кота принять одно единственное, определенное состояние. Декогерентность побуждает многие странности квантовой механики "утечь" из больших объектов, поскольку, бит за битом, квантовые странности удаляются прочь многочисленными сталкивающимися частицами из окружающей среды.

Тяжело представить более удовлетворительное решение проблемы квантового измерения. Будучи более реалистичными и отказавшись от упрощающего предположения, которое игнорирует окружающую среду, – упрощение, которое было критически важно, чтобы осуществить прогресс во время ранних разработок теории поля, – мы найдем, что квантовая механика имеет встроенное решение. Человеческое сознание, человеческие экспериментаторы и человеческие наблюдения не играют больше специальной роли, поскольку они (мы!) будут просто элементами окружающей среды, подобными молекулам воздуха и фотонам, которые могут взаимодействовать с данной физической системой. Также больше не будет разрыва в виде этапа один/этапа два между эволюцией объектов и экспериментатором, который их измеряет. Все сущее – наблюдаемое и наблюдатель – находятся на одинаковом основании. Все сущее – наблюдаемое и наблюдатель – подчиняется в точности тем же самым квантовомеханическим законам, как установлено уравнением Шредингера. Акт измерения больше не является специальным; он просто является одним из особых примеров контакта с окружающей средой.

Это оно? Декогерентность разрешила проблему квантового измерения? Декогерентность несет ответственность за волновые функции, закрывая дверь всем, кроме одного, потенциальным исходам, к которым они могут привести? Некоторые так думают. Исследователи вроде Роберта Гриффитса из Карнеги Меллон, Роланда Омнеса из Орси, нобелевского лауреата Мюррея Гелл-Манна из института Санта-Фе, и Джима Хартли из Калифорнийского университета в Санта Барбаре сделали большой прогресс и утверждают, что они разработали декогерентность в полной системе (названной декогерентными историями), которая решает проблему измерения. Другие, вроде меня, заинтригованы, но еще полностью не убеждены. Вы видите, что сила декогерентности в том, что она успешно удаляет искусственный барьер, установленный Бором между большими и малыми физическими системами, делая все сущее подверженным одинаковым квантовомеханическим формулам. Это важный прогресс и, я думаю, Бор нашел бы его удовлетворительным. Хотя нерешенная проблема квантового измерения никогда не мешала способности физиков согласовывать теоретические расчеты с экспериментальными данными, она привела Бора и его коллег к озвучиванию квантовомеханической системы взглядов с некоторыми очевидно неуклюжими свойствами. Многие находят, что система взглядов, нуждающаяся в размытых словах о коллапсе волновой функции или нечетком определении "больших" систем, соответствующих области классической физики, лишена силы. В значительных пределах, приняв во внимание декогерентность, исследователи перевели эти смутные идеи в разряд необязательных.

Однако, ключевая проблема, которую я обошел в обсуждении выше, заключается в том, что даже если декогерентность подавляет квантовую интерференцию и отсюда убеждает причудливые квантовые вероятности быть похожими на их привычных классических двойников, каждый потенциальный результат, воплощенный в волновой функции, все еще соперничает за реализацию. Так что мы все еще остаемся в неведении, какой результат "победит" и куда "уйдут" другие возможности, когда это реально произойдет. Когда подбрасывается монета, классическая физика дает ответ на аналогичный вопрос. Она говорит, что если вы исследуете способ, которым монета отправлена вращаться, с адекватной точностью, вы можете, в принципе, предсказать, упадет она орлом или решкой. При тщательном изучении, таким образом, определяется в точности один результат из деталей, которые вы первоначально наблюдали. То же самое нельзя сказать о квантовой физике. Декогерентность позволяет квантовым вероятностям быть интерпретированными почти как классические, но не обеспечивает всех точных деталей, которые выбирают из множества возможных исходов один для реализации на самом деле. Почти в духе Бора некоторые физики верят, что поиски таких объяснений, как возникает отдельный определенный результат, вводят в заблуждение. Эти физики утверждают, что квантовая механика, дополненная, чтобы включить декогерентность, является жестко сформулированной теорией, чьи предсказания вычисляют поведение лабораторных измерительных приборов. И, в соответствии с этой точкой зрения, это и есть цель науки. Попытки отыскать объяснение, что реально происходит, попытки побороться за понимание, как возник отдельный исход опыта, попытки поохотиться за уровнем реальности вне показаний детектора и распечаток компьютера выдаются за неоправданную интеллектуальную жадность.

Многие другие, включая меня, имеют иной взгляд на вещи. Объяснение данных – это то, чем должна заниматься наука. Но многие физики верят, что наука также должна включать в себя теории, подтверждающие данные и, используя их, идти дальше к добыванию максимального проникновения в природу реальности. Я сильно подозреваю, что изложенный подход сделал большой шаг в направлении полного решения проблемы измерений.

Так что, хотя имеется широкое согласие, что индуцированная окружающей средой декогерентность является важнейшей частью структуры, перебрасывающей мост над пропастью между квантовым и классическим, и хотя многие надеются, что эти рассмотрения однажды приведут к полной и неоспоримой связи между этими двумя областями, далеко не каждый убежден, что мост уже полностью построен.

Квантовая механика и стрела времени

Так где же мы находимся с проблемой измерений и что она означает для стрелы времени? Грубо говоря, имеется два класса предложений для связи здравого смысла с квантовой реальностью. В первом классе (например, волновая функция как знание, многомирье, декогерентность) уравнение Шредингера является сутью и концом всей истории; предложения просто обеспечивают различные способы интерпретации того, что уравнение предлагает для физической реальности. Во втором классе (например, Бом, Жирарди-Римини-Вебер) уравнение Шредингера должно быть дополнено другими уравнениями (в случае Бома уравнением, которое показывает, как волновая функция подталкивает окружающие частицы) или должно быть модифицировано (в случае Жирарди-Римини-Вебера путем включения нового явного механизма коллапса). Ключевой вопрос для определения воздействия на стрелу времени заключается в том, вводят ли эти предложения фундаментальную асимметрию между одним и другим направлением во времени. Вспомним, что уравнение Шредингера, равно как и уравнения Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, рассматривают прямое и обратное направления во времени на полностью одинаковых основаниях. Это не обеспечивает направления (стрелы) для темпоральной эволюции. Меняют ли этот факт какие-либо из изложенных предложений?

В первом классе предложений шредингеровская система взглядов совсем не модифицируется, так что темпоральная симметрия сохраняется. Во втором классе темпоральная симметрия может уцелеть, а может и не уцелеть в зависимости от деталей. Например, подход Бома, предложившего новое уравнение, трактует будущее время и прошлое время на равных основаниях, так что не вводит асимметрии. Однако предложение Жирарди-Римини-Вебера вводит механизм коллапса, который имеет выделенное направление во времени – "расколлапсирование" волновой функции, которая двигается из пикообразной формы к распределенной форме, не соответствует модифицированным уравнениям. Так что, в зависимости от предложения, квантовая механика вместе с разрешением загадки квантового измерения может или не может продолжать рассматривать каждое направление времени одинаково. Рассмотрим последствия каждой возможности.

Если симметрия времени сохраняется (как, я полагаю, и будет) все обоснования и все заключения последней главы могут быть проведены с минимальными изменениями и для квантовой области. Суть физики, которая инициировала наше обсуждение стрелы времени, заключалась в симметрии классической физики по отношению к обращению времени. В то время, как основной язык и система квантовой физики отличается от классической физики, – волновые функции вместо положений и скоростей; уравнение Шредингера вместо законов Ньютона, – симметрия по отношению к обращению времени всех квантовых уравнений обеспечивает, что трактовка стрелы времени будет неизменной. Энтропия в квантовом мире может быть определена почти также, как в классической физике при условии, что мы описываем частицы в терминах их волновых функций. И заключение, что энтропия должна всегда быть на подъеме, - возрастая как в направлении, которое мы называем будущим, так и в направлении, которое мы называем прошлым, – все еще будет держаться.

Так что мы приходим к той же головоломке, с которой мы столкнулись в Главе 6. Если мы принимаем наши наблюдения мира прямо сейчас как данные, как неопровержимые, и если энтропия должна возрастать как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое, как мы можем объяснить, что мир имеет вид, который он имеет, и как он будет последовательно разворачиваться во времени? И будут присутствовать те же две возможности: или все, что мы видим, неожиданно появилось в результате статистической флуктуации, наступление которой вы будете ожидать время от времени в вечной вселенной, которая растрачивает впустую подавляюще большую часть своего времени, будучи полностью разупорядоченной, или по некоторым причинам энтропия была поразительно низкой сразу после Большого взрыва и последние 14 миллиардов лет вещи медленно разворачивались и будут продолжать делать также и в будущем. Как и в Главе 6, чтобы избежать затруднений неверной памяти, записей и законов физики, мы сосредоточиваемся на второй альтернативе – низкоэнтропийном взрыве – и пытаемся объяснить, как и почему вещи начались в таком специальном состоянии.

Если, с другой стороны, симметрия времени потеряна, – если разрешение проблемы измерения, которое однажды станет общепризнанным, показывает фундаментально асимметричное рассмотрение будущего по отношению к прошлому в рамках квантовой механики, – это может очень хорошо обеспечить наиболее прямое объяснение стрелы времени. Может оказаться, например, что яйца разбиваются, но не соединяются обратно, потому что в отличие от того, что мы находили с использованием законов классической физики, существует решение полных квантовомеханических уравнений для разбивающегося яйца, а для собирающегося обратно нет. Обратный просмотр фильма о разбивающемся яйце тогда изобразит движение, которое не может произойти в реальном мире, что объясняет, почему мы никогда не видим его. И это должно быть так.

Возможно. Но даже если это, кажется, обеспечивает существенно иное объяснение стреле времени, в реальности оно может не быть настолько иным, как это кажется. Как мы подчеркивали в Главе 6, чтобы страницы Войны и Мира становились все более разупорядоченными, они должны сначала быть упорядоченными; для яйца чтобы стать неупорядоченным через разбивание, оно должно быть сначала упорядоченным, неиспорченным яйцом; для энтропии, чтобы возрастать по направлению в будущее, энтропия должна быть низкой в прошлом, так что вещи должны иметь потенциал, чтобы становиться неупорядоченными. Однако именно потому, что закон трактует прошлое и будущее различным образом, нет гарантии, что закон предписывает прошлому низкую энтропию. Закон может все еще подразумевать более высокую энтропию по направлению в прошлое (возможно, энтропия будет расти по направлению в прошлое и в будущее асимметрично), и даже возможно, что асимметричный во времени закон будет совсем неспособен сказать что-либо о прошлом. Последнее верно для предложения Жирарди-Римини-Вебера, одного из исключительных, асимметричных во времени предложений на рынке. Раз уж их механизм коллапса удался, нет способа отменить его – нет способа стартовать от коллапсировавшей волновой функции и эволюционировать к ее первоначальной распределенной форме. Детализированная форма волновой функции теряется в коллапсе, – она превращается в пик, – так что невозможно "восстановить", на что вещи были похожи в любой момент времени до того, как коллапс произошел.

Таким образом, даже если асимметричный во времени закон мог бы обеспечить частичное объяснение того, почему вещи разворачиваются в одном темпоральном порядке и никогда в обратном порядке, он должен был бы очень хорошо предусмотреть то же ключевое добавление, требуемое для симметричных во времени законов: объяснение того, почему энтропия была низкой в удаленном прошлом. Определенно, это верно для асимметричных во времени модификаций квантовой механики, которые были предложены до настоящего времени. Итак, исключая вариант, что возможные будущие открытия раскроют две особенности, которые одновременно я рассматриваю как маловероятные, – асимметричное во времени решение проблемы квантовых измерений, которое, дополнительно, гарантирует, что энтропия уменьшается по направлению в прошлое, – наши усилия объяснить стрелу времени привели нас еще раз назад к происхождению вселенной, теме следующей части книги.

Как прояснят эти главы, путь космологических рассмотрений идет через многие тайны к сердцу пространства, времени и материи. Так что в путешествии по направлению к современным космологическим взглядам на стрелу времени будет правильно не нестись через пейзаж, а скорее совершить обстоятельную прогулку через космическую историю.


Каталог: art -> theory -> Briyan Grin
art -> Вилена александровна развитие межкультурной компетенции студентов-лингвистов средствами
art -> Кодекс ткп 45 04-78-2007 (02250) установившейся практики
art -> Кодекс ткп 45 04-208-2010 (02250) установившейся практики
art -> Технический кодекс ткп 2006
art -> Сестринский процесс: пациент с нарушением целостности кожных покровов
art -> Технологии Raid – немного теории и практика использвания
art -> Диетическая добавка к пище
Briyan Grin -> Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   34


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница