Как понимать квантовую механику

9.3. ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ (Ф)

283

изолированных квантовых систем из нескольких тысяч частиц обещает создание квантовых компьютеров. Будут ли квантовые компьютеры работать, или их теория представляет собой выход за границы применимости квантовой механики?

Также вопрос о границах применимости квантовой теории ставит перед нами квантовая статистическая физика. Как старая, так и новая копенгагенская интерпретация формально не позволяют применять квантовую теорию в статистической физике. Старая копенгагенская интерпретация отказывается работать с макросистемами, а новая копенгагенская интерпретация отказывается работать с незамкнутыми системами.

Другой постулат копенгагенской интерпретации о необходимости выделения наблюдателя также ставится под сомнение. В данном случае эта дискуссия по-прежнему далека от практики, но постепенно приобретает все¨ большую важность в фундаментальной науке. Со времен¨ Бора космология, строящаяся на основе общей теории относительности (ОТО), а также ее¨ обобщениях, постепенно все¨ в большей степени становилась наукой. В настоящее время космология умеет неплохо описывать нашу Вселенную, и ее¨ модели с удовлетворительной степенью точности согласуются с наблюдательными данными. И здесь вопрос о том, можно ли писать волновую функцию Вселенной и нужен ли при этом наблюдатель (кто?! См. рис. 9.11), становится актуальным.

Проблема усугубляется тем, что до сих пор не существует общепринятой последовательной квантовой теории гравитации12. Многие физики приходят к мысли, что создание последовательной квантовой теории гравитации потребует не менее радикального пересмотра наших физических концепций, чем создание квантовой механики или ОТО.

Некоторые эффекты ОТО, такие как поглощение частицы черной¨ дырой, являются необратимыми. Это наводит некоторых ученых¨ на мысль, что необратимость ОТО и необратимость измерения в квантовой теории связаны друг с другом. Если это действительно так, то есть надежда в рамках квантовой теории гравитации включить процесс измерения в теорию не в виде отдельного постулата, а как естественное следствие основных уравнений.

Другой взгляд на необходимость наблюдателя в квантовой механике предлагает интерпретация Эверетта (см. раздел 9.3.7).

12Хотя есть ряд кандидатов на роль квантовой теории гравитации, в число которых входят теории струн, супергравитация, М-теория, петлевая гравитация и др. Также существуют непоследовательные квантовые теории гравитации, которые в некоторых условиях позволяют предсказывать физические эффекты, но не являются самосогласованными теориями.

284 ГЛАВА 9

9.3.6. «Абстрактное Я» фон Неймана (фф)

ФОПФ так и не смогли окончить лорд Кельвин, Иоганн фон Нейман, Отто фон Герике и Герберт фон Караян, о чем¨ постоянно жалеет Ф. Ф. Каменец.

		Проспект Факультета общей и прикладной
		физики, МФТИ. 1992
		Как уже упоминалось выше в разде-
		ле 8.2 «Моделирование измерительного прибо-
		ра*», граница между наблюдателем и измеряе-
		мой системой может проводиться по-разному.
		Выше мы также двигали эту границу, рассмат-
		ривая Кота Шредингера¨ и Друга Вигнера.
	Рис. 9.12. «Абстрактное Я»	И если мы выше расширяли систему, то
	фон Неймана по версии прос-	Иоганн фон Нейман13 сужал наблюдателя.
	пекта ФОПФ (1992).	В систему могут включаться или не включать-
		ся прибор, стрелка прибора, глаз наблюдателя,
		часть мозга наблюдателя, занимающаяся обра-
		боткой зрительного сигнала . . . Соответствен-
		но? сам акт наблюдения производят: человек
		и прибор, сам человек (целиком), голова на-
		блюдателя, мозг наблюдателя, отвечающая за
		высшую нервную деятельность кора головно-
		го мозга, и наконец, некоторое «абстрактное
		Я наблюдателя». «Абстрактное Я» при этом
	Рис. 9.13. Иоганн фон Ней-	рассматривается как нечто, не имеющее мате-
	ман (1903–1957) во время ра-	риального носителя14.
	боты в Лос-Аламосе.	С этой точки зрения «абстрактное Я»
		представляет собой некий процесс, благодаря

которому человек знает, в каком состоянии находится его сознание. Другая возможная трактовка: «абстрактное Я» тождественно некоторой объективной (не зависящей от наблюдателя) редукции волновой функции.

Предположение (у фон Неймана неявное), что человек знает в каком состоянии находится его сознание, представляется весьма шатким. Ско-

13Иоганн фон Нейман, Математические принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1964.

14Заметим, что основной вывод, декларируемый фон Нейманом, состоял не во введении «абстрактного Я», а в существенной произвольности границы между системой и наблюдателем.

9.3. ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ (Ф)

285

рее, следуя Бору, который предлагал применить принцип дополнительности к человеческому сознанию, можно ожидать, что рефлексия (осознание сознательной деятельности) препятствует сознательной деятельности. Сам Бор, вероятно, не связывал эту дополнительность с квантовыми эффектами, однако многие авторы полагают, что сознание может быть существенным образом квантовым, хотя и понимают эту квантовость очень по-разному.

9.3.7. Многомировая интерпретация Эверетта (фф)

Когда мы рассматривали Кота Шредингера,¨ а потом Друга Вигнера, то мы последовательно расширяли квантовую систему, включая в нее¨ все¨ новых и новых наблюдателей: Датчик, Кота, Наблюдателя, Друга. Каждый из этих наблюдателей по мере распространения сигнала попадал в состояние, запутанное с тем, что на предыдущем этапе рассматривалось как квантовая система. Для того чтобы проследить судьбу наблюдателя, включенного¨ в расширенную систему, мы вводили следующего наблюдателя, который осуществляет измерение над предыдущим, и т. д.

Это наводит на мысль, что нет никакой
необходимости плодить наблюдателей и до-
полнять унитарную эволюцию процедурой из-
мерения. В конце концов после того, как
очередной Наблюдатель попал в суперпози-
цию двух макроскопически различных состо-
яний, каждое из этих состояний живет¨ своей
жизнью, поскольку они столь различны, что
их интерференцией (возможностью привести
к микроскопически одинаковому итогу) мож-
но пренебречь. Мы получаем как бы два па-
раллельных Мира: в одном из них Кот жив,	Рис. 9.14. Хью Эверетт III
и все наблюдатели с этим согласны, а в другом	1964 г. (1930–1982).

Кот мертв,¨ и все наблюдатели обнаруживают

[http://space.mit.edu/]

именно такой исход. Эти два Мира практически не влияют друг на друга.

Мы можем придти к выводу, что квантовая механика не требует введения процедуры измерения. Унитарная эволюция квантового состояния дает¨ нам суперпозицию состояний (параллельных Миров), отвечающих всем возможным комбинациям исходов всех измерений. Эти Миры ветвятся при каждом измерении, но все они сосуществуют, описанные как компоненты одного состояния (волновой функции) Вселенной.

286

ГЛАВА 9

Проекционный постулат, с помощью которого мы обычно описываем процедуру измерения, позволяет выделить из параллельных Миров один, который нами воспринимается.

Наблюдатель воспринимает лишь один Мир (компоненту квантовой суперпозиции) потому, что эти Миры макроскопически различны. Однако в параллельных Мирах могут быть аналоги этого же наблюдателя: если в одном Мире Наблюдатель, обнаружил, что спин электрона направлен вверх и поставил в лабораторный журнал единичку, то в параллельном Мире точно такой же Наблюдатель обнаруживает, что спин направлен вниз и ставит в журнал нолик. Таким образом, Наблюдатели ветвятся вместе с Мирами.

Математически это ветвление описывается с помощью относительных состояний |ψφ0 (7.5.5 «Относительные состояния (ф*)»), которые задают состояние подсистемы при условии, что наблюдатель окажется в состоянии |φ0 . Разным параллельным Мирам соответствуют разные состояния наблюдателя |φ0 , и разные относительные состояния окружающей вселенной |ψφ0 . В многомировой интерпретации все относительные состояния

вравной степени реальны и сосуществуют друг с другом.

Вмногомировой интерпретации квантовой механики как в классике нет случайности, а есть только незнание. Наблюдатель, который всерьез¨ принял эту интерпретацию, уверен, что в том или ином из параллельных Миров происходит все,¨ что может произойти (см. раздел 3.2 «Возможно все,¨ что может произойти (ф*)»), он только не знает попадет¨ ли он в тот самый Мир, в котором случится интересующее его событие, или это событие будет наблюдать не он, а его иной вариант из параллельного Мира.

Параллельные Миры расщепляются не сразу, а порой могут не только расщепляться, но и сливаться. Так, если мы пустили фотон с помощью полупрозрачного зеркала сразу по двум плечам интерферометра, то можно сказать, что Мир расщепился на два, в каждом из Миров фотон пошел¨ по своему пути. Однако, если в конце интерферометра фотон будет снова собран с помощью полупрозрачного зеркала в один волновой пакет, то нам придется¨ сказать, что параллельные Миры снова слились, или что они еще¨ не успели толком расщепиться. Ну а если после полупрозрачного зеркала стоят датчики, как в мысленном эксперименте с Котом Шредингера,¨ то Миры расходятся уже практически необратимо.

Процесс разделения альтернатив описывается в исследованиях явления декогеренции (8.4 «Декогеренция (фф)») — зацепления состояний измерительного прибора и окружения, в результате которого для наблюдателя, не

контролирующего окружение полностью, различные альтернативы становятся как бы взаимоисключающими15.

15Многие авторы, исследующие процессы декогеренции, не согласны с многомировой ин-

9.3. ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ (Ф)

287

Чем (не)удобна многомировая интерпретация (фф)

Многомировая интерпретация выглядит весьма абсурдно. Бесконечное количество параллельных Миров вводится для того, чтобы отказаться от проекционного постулата, который вс¨е равно приходится применять для того, чтобы делать предсказания результатов каких-либо экспериментов. Эта необходимость вс¨е равно обращаться к проекционному постулату сводит существенные различия между традиционной квантовой теорией и многомировой интерпретацией на нет. Некоторые физики вообще не верят, что кто бы то ни было (включая самого Эверетта) всерьез¨ способен принять такую глупость, как многомировая интерпретация.

Тем не менее многомировая интерпретация в последние годы приобрела популярность среди ряда физиков, занимающихся основами квантовой механики и квантовой теорией информации.

Многомировая интерпретация позволяет развить некоторую форму специфически квантовой интуиции. Обсуждавшийся ранее тезис «возможно все,¨ что может произойти» усиливается и превращается в «происходит все,¨ что может произойти». Утверждение, что квантовые процессы происходят одновременно всеми возможными способами (в частности, что частица пролетает одновременно через оба отверстия в двухщелевом эксперименте), становится банальностью.

Удобную метафору (метафору ли?) дает¨ многомировая интерпретация и для квантового компьютера: квантовый компьютер выполняет параллельные вычисления одновременно во многих параллельных Мирах, благодаря чему достигается выигрыш в производительности, однако в конце возникает проблема собирания результатов вычислений в одном Мире.

Многомировой интерпретации придерживается один из создателей теории квантовых вычислений Дэвид Дойч. Дойч пропагандирует многомировую интерпретацию в книге «Структура реальности»16, где утверждает, что многомировая интерпретация является естественной для физика, исследующего квантовые вычисления.

Многомировая интерпретация дает¨ удобную интуицию и для понятия вероятности: вероятность события — доля Миров, в которых это событие происходит.

Эвереттом был также получен «вывод» квантовомеханической формулы для вероятностей, как единственно возможной при некоторых условиях (см. 8.3.1 «Эвереттовский “вывод” теории измерений (фф*)»).

терпретацией и считают, что декогеренция сама по себе является самостоятельной интерпретацией квантовой механики. Подробнее см. раздел 8.4 «Декогеренция (фф)».

16Дойч Д. Структура реальности. — М.–Ижевск: РХД, 2001.

288

ГЛАВА 9

Многомировая интерпретация и антропный принцип (фф)

Еще¨ одним преимуществом, а может быть недостатком многомировой интерпретации квантовой теории является необычайная легкость¨ применения антропного принципа.

Антропный принцип — это объяснение наблюдаемых свойств какойлибо системы тем фактом, что для наблюдения нужен наблюдатель, который должен иметь возможность возникнуть, жить и наблюдать эту систему.

Например, тот факт, что наше Солнце представляет собой сравнительно небольшую, зато очень долгоживущую звезду (с общим временем жизни около 10 млрд лет), легко объясняется тем, что массивные звезды¨ живут очень мало (миллионы лет), а потому жизнь, а тем более разумная жизнь просто не успевает возникнуть на планетах, обращающихся вокруг этих звезд¨. В связи с этим мы (т. е. живые и разумные существа) обречены были возникнуть рядом со сравнительно легкой¨ звездой. Аналогичным образом объясняется то, что нам повезло жить в системе одиночной звезды, при том, что большинство звезд¨ входит в двойные и более сложные кратные системы: в кратной системе орбиты планет менее устойчивы и меньше вероятность возникновения на них разумной жизни.

Как видно на этих примерах, для применения антропного принципа нам нужен достаточно большой ансамбль систем, в которых может или не может возникать/обитать разумная жизнь. Если ансамбль достаточно велик, то сколь угодно малая вероятность успеха (возникновения разумной жизни) в каждом конкретном случае даст нам для всего ансамбля практически достоверное возникновение разумной жизни.

В многомировой интерпретации у нас есть бесконечный ансамбль параллельных Миров. Таким образом, применение антропного принципа по поводу и без повода становится легким¨ и естественным. Например, согласно мнению многих физиков фундаментальные постоянные «подогнаны» очень точно с тем, чтобы в нашей Вселенной могла возникнуть жизнь: при чуть-чуть измененных¨ константах не могут возникнуть звезды,¨ или планеты, или тяжелые¨ атомные ядра, или что-либо еще,¨ совершенно необходимое для разумной жизни, в том единственном виде, в котором мы е¨ знаем. Если предположить, что фундаментальные постоянные являются на самом деле динамическими переменными, то легко вообразить себе модель, в которой в разных параллельных Мирах будут реализованы все возможные их комбинации. С этой точки зрения попытки объяснения точной подгонки фундаментальных констант оказались бы бессмысленными. Однако возможно между фундаментальными константами существуют какие-то пока нам неизвестные соотношения. В поисках этих соотношений антропный

9.3. ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ (Ф)

289

принцип может сбить нас с толку, выдав слишком легкое¨ (и бесплодное) объяснение.

Антропный принцип в комбинации с многомировой интерпретацией способен, например, объяснить происхождение жизни, сославшись на случайную сборку первого одноклеточного организма при броуновском движении атомов. Конечно, количество планет в наблюдаемой части Вселенной (радиусом порядка 10 млрд световых лет) для подобной сборки за время жизни Вселенной практически наверняка недостаточно, но параллельные Миры предоставят нам ансамбль землеподобных планет любой нужной нам мощности. Это же рассуждение предсказывает, что мы (земная жизнь) практически наверняка одиноки во Вселенной (точнее в нашем Мире), поскольку одна планета с разумной жизнью (Земля) в нашем Мире уже точно есть, то все ничтожно-малые оценки вероятности возникновения жизни надо относить уже к другой подобной планете.

Однако объяснение возникновения жизни через комбинацию броуновского движения, многомировой интерпретации и антропного принципа бесплодно в том смысле, что оно ничего не говорит о той химической эволюции, которая должна была предшествовать возникновению органической жизни и не могла не увеличить вероятность ее¨ возникновения (уже не через броуновское движение, а через самоорганизацию) на много порядков.

Как мы видим на приведенных¨ примерах, антропный принцип в комбинации с бесконечным множеством Миров многомировой интерпретации способен объяснить практически что угодно, примерно как неиспользованная Лапласом «гипотеза Бога», однако его предсказательная сила столь же низка17.

9.3.8. Сознание и квантовая теория (фф)

Квантовая теория измерений не формулируется без ссылки на наблюдателя, причем¨ граница между наблюдателем и измеряемой системой может быть проведена различными способами. И если кто-то делает вывод, что измерение в конечном итоге производится сознанием наблюдателя, или его абстрактным Я, то возникают естественные вопросы:

•Что же такое сознание?

•Может ли сознание изучаться в рамках физики?

•Может ли сознание быть сведено к физическим явлениям, описываемым в рамках стандартной квантовой теории?

17Рассказывают, что после изложения Лапласом Наполеону космологической теории происхождения Солнечной системы, Наполеон спросил о месте Бога в этой теории и получил ответ: «Государь, я не нуждаюсь в этой гипотезе».

Рис. 9.15. Роджер Пенроуз. W

290

ГЛАВА 9

•Является ли сознание явлением принципиально отличным от «обычных» квантовых (унитарных) физических явлений?

•В каких еще¨ явлениях, помимо человеческого сознания, проявляются те же неунитарные эффекты?

•Как согласуется существование многих наблюдателей с тем, что они наблюдают один и тот же физический мир?

•Почему разные наблюдатели наблюдают один и тот же мир?

•Следует ли считать сознание каждого человека отдельным объектом?

•Следует ли считать, что в мире существует только одно Сознание?

•Если измерение производится именно сознанием, то может ли оно влиять на исход измерения? (Возможно ли «активное сознание»?)

•Если сознание одного наблюдателя может влиять на исход измерения, то как это будет восприниматься другими наблюдателями?

•Можно ли связать квантовые чудеса с чудесами человеческого сознания?

•Могут ли методы математического описания и физической интерпретации квантовых явлений (когда влиянием наблюдателя нельзя пренебречь) быть применены при изучении сознания (которое также реагирует на наблюдение)?

Многие вопросы сводятся к обсуждению и интерпретации парадокса Друга Вигнера. Также для некоторых вопросов можно предложить физические эксперименты, призванные на эти вопросы ответить. Такие вопросы можно обсуждать содержательно.

Роджер Пенроуз в своих книгах «Новый ум короля», «Тени разума» и др. приводит интересные аргументы в пользу своей гипотезы о связи сознания, неунитарных обобщений квантовой теории и квантовой гравитации. Пенроуз из неопределимости понятия доказательства и теоремы Геделя¨ о неполноте арифметики делает вывод, что сознание описывается невычислимым процессом. А поскольку уравнения квантовой (как и классической) физики в принципе допускают (на конечном временном интервале) численное решение с любой степенью точности, то квантовая теория

не может описывать сознание. Эти аргументы, безусловно, спорны, но их

9.3. ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ (Ф)

291

можно содержательно обсуждать. (Также очень интересен обзор современной физики, приводимый Пенроузом в указанных книгах.)

Попытки применения в психологии методов и философии, разработанных в квантовой физике, восходят к Н. Бору (принцип дополнительности в психологии) и В. Паули (совместная работа с К. Юнгом, 1953 г.). Это направление развивается до сих пор (см., например, статью А. Ю. Хренникова «Квантовоподобный мозг на сознательном и бессознательном временных масштабах»18, где также приведена обширная библиография).

Однако большинство из приведенного¨ списка вопросов вообще не относятся к физике, соответственно большинство физиков избегает их обсуждения. Некоторые вопросы явно отдают какой-то мистикой, их обсуждение способно стимулировать разного рода «патологов» к проведению параллелей между современной физикой и разного рода мистикой/эзотерикой/теософией/астрологией. К сожалению, до авторов ненаучной фантастики (ННФ) и паранаучных фантазий (ПНФ) уже дошли обрывочные и искаженные¨ сведения о чудесах и парадоксах квантовой механики. Книги в жанре ННФ, в которых по параллельным эвереттовским мирам бродят толпы оживших мертвецов, уже написаны и продаются. Также написаны ПНФ-книги, в которых авторы, маскирующиеся под ученых¨-физиков, увязывают квантовую нелокальность с мистикой (восточной и западной), тео-

софией, реинкарнациями, телепатией, ясновидением и «торсионными полями»19.

Пример ПНФ-книги — С. И. Доронин «Квантовая магия»20. Эта книга особенно опасна для неспециалиста, потому что автор — кандидат физ.- мат. наук и старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, причем¨ входит в исследовательскую группу, которая в самом деле занимается квантовыми компьютерами. Книга содержит одновременно ссылки на вполне солидные научные работы и откровенную мистику и патологию. Из книги видно, что автор очень много читал по физике (думаю, много больше меня), но практически ничего не понял ни в квантовой теории, ни в ОТО, о которой он тоже пишет.

Если пытаться разбирать книгу Доронина по существу, то, вероятно, главной физической идеей (обсуждения разнообразной мистики слишком расплывчаты, чтобы их можно было по существу обсуждать с точки зрения

18Khrennikov A. Yu. The Quantum-Like Brain on Cognitive and Subcognitive Time Scales // Journal of Consciousness Studies. — 2008. — Vol. 15, No. 7. — P. 39–77.

19«Торсионные поля» — неоднократно разоблаченная¨ паранаучная афера, получившая широкое освещение в прессе. «Торсионные поля» не следует путать с полями кручения, которые вводятся в ряде вполне респектабельных обобщений общей теории относительности.

20Доронин С. И. Квантовая магия. — ИГ «Весь», 2007.

292

ГЛАВА 9

физики) следует считать гипотезу о возможности приближенного¨ описания квантовых нелокальных эффектов с помощью некоторой эффективной теории, на роль которой предлагается классическая локальная теория поля

(как вариант — общая теория относительности). Естественно, такой подход (исторически восходящий к Эйнштейну) при современном уровне физики бесперспективен, поскольку в таком приближении пренебрегается как раз тем, что автор хочет описать. Грубые ошибки, допущенные далее в общей теории относительности, после этого только подчеркивают¨ низкий научный уровень работы.

По всей видимости этот парадокс (написание такой книги сотрудником уважаемого академического института) может быть объяснен¨ тем, что сам Доронин не столько физик, сколько программист, как написано на интернет-сайте Лаборатории спиновой динамики и спинового компьютинга, в которой он работает: «С. И. Доронин владеет различными языками программирования, разрабaтывает в нашей лаборатории программы для численного решения задач, в том числе параллельные программы для суперкомпьютерных расчетов,¨ проводимых в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре (МСЦ)». Я сомневался, следует ли давать здесь ссылку на такую книгу, но решил, что подобного рода предостережение необходимо.

Ситуация осложняется еще¨ и тем, что ряд настоящих физиков (начиная, по крайней мере, с Шредингера)¨ в своих философских работах также обращается к восточной философии, а порой и к обсуждению паранормальных явлений.

9.3.9. Активное сознание (фф*)

Рис. 9.16. Михаил Борисович

Менский. [http://ufn.ru/]

Термин активное сознание, для сознания которое способно влиять на исход измерения, был введен¨ М. Б. Менским, хотя подобного рода гипотезы периодически высказывались в научной и околонаучной среде очень давно (вероятно, с начальных времен¨ квантовой теории).

Несмотря на использование столь нелюбимого большинством физиков слова «сознание», данная гипотеза допускает экспериментальную проверку. Различные экспериментальные группы время от времени публикуют результаты исследований, в которых «опера-