Квантовая механика: конец войны интерпретаций
Квантовая механика окружена ореолом таинственности. Зачастую, этот ореол возникает из-за того, что популярные источники излагают материал, не придерживаясь какой либо определенной интерпретации, а иногда пытаются втиснуть современные факты в прокрустово ложе старой Копенгагенской интерпретации.
Со списком из более чем 17 интерпретаций вы можете ознакомиться тут. Весь этот длинный список возник от того, что сами формулы квантовой механики угадали довольно быстро, но очень долго не понимали, что же они означают.
Ингредиенты Копенгагенской интерпретации
Копенгагенская интерпретация занимает особое место: она из первых, если брать хронологию возникнования. Но, главное, она стандарт де факто популярных объяснений квантовой механики. Именно отсюда идут все проблемы.
Из каких частей состоит современная QM? (Релятивистская) квантовая механика это некий framework из формул, наполненный конкретикой о том, какие элементарные частицы бывают (так называемый зверинец) плюс параметры Стандартной модели. Это 19 магических безразмерных чисел, которые теория никак не объясняет. Но это тема отдельного разговора. Все, что описано выше, составляет милую теоретикам часть с чистыми формулами. Теперь два дополнительных, магических ингредиента. Коснемся пока одного из них.
Коллапс волновой функции
Он является следствием измерения. Измерение — это процесс, когда почти невесомые кванто-механические системы приходят в соприкосновение с классическими измерительными приборами, примерно такими, как во времена Нильса Бора:
При том, что для огромного количества экспериментов интерпретация работала как часы, никто из ее сторонников не смог внятно объяснить, что такое измерение. Как правило, возникает рекурсия сепулька сепуление сепулькарий измерение/ наблюдение/ наблюдатель… который измеряет.
Наличие наблюдателя вкупе с тем фактом, что коллапс бывает частичным (при наличии разумного наблюдателя, который умеет делать умозаключение) даже породило интерпретацию Фон Неймана-Винера, которая называется сон разума создает чудовищ Коллапс, создаваемый сознанием. Я ничего не имею против Неймана и Винера — это просто иллюстрация того, как все было плохо. Даже сам разговор об альтернативных интерпретациях стал если не табу, то считался бесполезной болтовней:
Современная ситуация
Последнее время, особенно благодаря исследованиям в области квантовых вычислений, измерительные системы из огромных приборов со стрелками уменьшились до крохотных систем — размером иногда порядка нескольких атомов. И граница между кванто-механической системой и классической системами, которая и до этого была размытой, совсем стерлась.
Почему вот эта система из пары атомов является измерительным устройством, а эта — нет? Где у групп атомов крепятся флажки «Я измерительное устройство»? Копенгагенская интерпретация зашла в философский тупик (что не уменьшает ее исторический и педагогической роли).
Впрочем, физики, работающие в области квантовых вычислений, давно не страдают от этих проблем, и вот почему
Новая надежда
Я не буду здесь рассказывать про Many Worlds Interpretation. Про эту теорию и так есть много информации (и часто неправильной). Из интересных фактов следует отметить, что первым на нее набрел не Эверетт, а Шредингер.
Однако нас будет интересовать, а почему же новая теория не завоевала умы сразу же (помимо отторжения из-за того, что она «обкуренная»)? Главным образом потому, что она противоречила наблюдаемым фактам. Глядя на эксперимент с котом Шредингера, теория предсказывала, что мы должны были увидеть вот это:
Но вы никогда не увидите реальных объектов в суперпозиции. Поэтому до поры до времени MWI была лишь сумасшедшей гипотезой, пока не обнаружилась
Quantum Decoherence
Декогеренция была обнаружена на кончике пера в начале 70х. В 80е годы происходит активное исследование этой области. Сейчас без нее не представить современную квантовую механику и, особенно, квантовые компьютеры. В половине статей про квантовые вычисления слово decoherence есть в заголовке, и почти в каждом — в теле статьи.
Декогеренция показывает, что при взаимодействии сложной системы (наблюдатель) с квантовой (или иной другой системой) происходит диагонализация. То есть вместо двух размытых силуэтов живого и мертвого кота система превращается в две почти независимые: грустный наблюдатель, видящий мертвого кота, и радостный, видящий живого кота.
В отличие от коллапса волновой функции, у декогеренции нет необходимости в магии «измерения» — такое происходит с любой системой, у которых много степеней свободы (что верно для мозга и макроскопических наблюдательных приборов). Сам процесс декогеренции физический, то есть происходит благодаря обмену наблюдателя и объекта фотонами (например), происходит не мгновенно, и само явление распространяется не быстрее скорости света.
А как же коллапс волновой функции?
Позиция сторонников копенгагенской интерпретации очень слабая. Ведь теперь у них не один, а целых два агента, обеспечивающих то, за что был раньше ответственен коллапс. Очевидно, так быть не может. Хватаясь за соломинку, пытаются объявить декогеренцию объяснением коллапса и даже выставить это как победу (дескать, раньше коллапс был магией, а вот теперь объяснен)
Фатальная проблема этого подхода в том, что декогеренция слабее, чем коллапс — она объясняет, почему мы не видим туманную смесь разных состояний котов, но не говорит, что остается только одно состояние кота! То есть приверженец этого подхода должен либо де факто стать приверженцем MWI, либо все равно тащить в теорию пилу, которая будет отсекать «ненужные» ветви.
Правило Борна
Правило Борна это последний недостающий ингредиент для MWI. Грубо говоря, это костыль, объясняющий, как на реальность влияет толщина ветвей. Вы едете на работу. В одной из ветвей мультиверса ваш мозг переклинило, вы остановились и бросились грабить банк, и вместо работы оказались в кутузке. К счастью, интенсивность этой ветви очень мала. Правило объясняет, что такие тоненькие ветви мы почти не наблюдаем. Правило есть и в других интерпретациях, в частности, в Копенгагенской. И вот в феврале этого года костыль удалось убрать.
Как декогеренция, выведенная из формализма квантовой механики вытеснила коллапс, так и правило Борна было (наконец!!!) выведено чисто математическим образом. Последний гвоздь в крышку гроба Копенгагенской интерпретации забит месяц назад. История завершилась. Время подводить итоги.
Итоги
Сравним текущее состояние MWI и копенгагенской интерпретации и, как всегда, развеем мифы. Итак,
Копенгаген = Формулы + Коллапс Волновой Функции + Правило Борна
MWI = Формулы + … а больше ничего и не надо
Таким образом, MWI является абсолютно минималистичной теорией (ее иногда даже называют NULL interpretation). Она не предполагает никаких дополнительных принципов, кроме формализма, который известен давно. Многие полагают, что бритва Оккама вырезает MWI, потому что MWI »постулирует существование других, ненаблюдаемых ветвей реальности». MWI как раз ничего не постулирует. Существование этих ветвей неизбежно следует из формул квантовой механики, как структура пространства внутри черной дыры следует из формул Эйнштейна. Напротив, чтобы не возникало дополнительных ветвей, вы как раз должны постулировать наличие «пилы», которая непрерывно эти ветви отпиливает. Ну или лангольеров:
Внезапно, в MWI квантовая механика оказывается детерминированной, объективной и локальной — ну просто теплая ламповая теория. Конечно, детерминирована она только глобально (если смотреть развитие всех ветвей) — это называется birds view, а с точки зрения внутреннего наблюдателя, «лягушки» (frogs view) — события во вселенной случайны (но статистически подчиняются правилу Борна).
(снова из статьи Макса Тегмарка)
Некоторые считают, что MWI — это есть отчаянная попытка вернуть детерминированность в науку.
Spoiler: старик был прав!
Нет и еще раз нет. На physicsforums я как-то поинтересовался мотивацией die-hard realists, которые вели отчаянную войну с теоремой Белла (в то время еще не все лазейки в экспериментах были закрыты). Теорема Белла запрещает существование локальных реалистичных теорий во фреймворке квантовой механики — впрочем, к MWI эта теорема не применима. Соответственно, для влюбленных в реализм переход под флаги MWI решал бы все проблемы (как мне казалось). Но нет — на меня обрушился гром и молнии — цена признания мультиверса для реалистов была абсолютно неприемлемой, более неприемлемой, чем даже расставание с их любимым реализмом. Это подводит к заключению:
MWI — надо заплатить за все всего один раз. Принять безумие в одном –и все остальное станет проще. Или всю жизнь крутиться в химерах типа коллапса, спутанности, мгновенно менящей состояние спутанных частиц, как бы далеко они ни были, или корпускулярно-волнового дуализма. Кстати, всем известный Хокинг был за MWI (пруф Martin Gardner reports Hawking saying that MWI is «trivially true»).
P.S.
Просьба к публике, читавшей мою предыдущую статью поучаствовать в коротком опросе на тему сознания и Qualia ЗДЕСЬ в Google Forms
Спасибо!
