Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки - Ллойд Сет

Заменим в двухщелевом эксперименте обе щели кнопками. Если нажать первую кнопку, кот получит молоко; если нажать вторую кнопку, тот же самый кот получит яд. Но квантово-механическая частица нажимает обе кнопки одновременно: кот Шрёдингера и жив, и мертв одновременно!

Несмотря на то что картина относительных состояний квантового измерения иллюстрирует это явление, все же остаются некоторые вопросы. Когда я слышу щелчок, что происходит с другой частью суперпозиции, в которой я не слышал щелчка? Тот человек, который не слышал щелчка, – это все еще я? А может быть, я и слышал щелчок, и не слышал его в одно и то же время? Этот тревожный аспект описанной картины усилил в 1935 г. австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Он предположил, что, когда датчик щелкает, он запускает механизм, убивающий кота. В парадоксе кота Шрёдингера состояния частицы, датчика и кота после измерения обозначается как |левая, нет щелчка, кот жив> + |правая, есть щелчок, кот мертв>. Каким-то странным квантовым образом кот и жив, и мертв в одно и то же время.

Парадокс кота Шрёдингера породил много заблуждений. Стивен Хокинг так устал от него, что часто говорил (перефразируя Йозефа Геббельса): «Когда я слышу слова “кот Шрёдингера”, я хватаюсь за пистолет». Первоначальная разгадка парадокса, предложенная Бором, состояла в том, что, когда мы слышим щелчок и кот умирает, другая часть суперпозиции – та, в которой мы не слышим щелчка и кот остается жив – просто исчезает. Такое исчезновение частей волны, которых мы не видим в опыте, – пример коллапса волновой функции, о котором мы говорили выше. Волна здесь, в сущности, коллапсирует в один из своих компонентов. В картине коллапса волновой функции квантового измерения к тому времени, как я напишу вам и сообщу, что я услышал щелчок, а когда обернулся, то увидел, что кот мертв, та часть волны, в которой кот все еще жив, исчезнет.

Проблема с этим решением, как мы уже видели, состоит в том, что динамические законы квантовой механики обратимы. Принципиально возможно вернуться в исходное состояние, существовавшее до измерения. Но если волновая функция действительно коллапсирует, вернуться в исходное состояние становится невозможно. В то же время известно, что во многих случаях, таких как эффект спинового эха и его аналоги, можно обратить динамическую эволюцию квантовой системы из многих частей и вернуть ее в исходное состояние. Как теория, так и эксперимент делают коллапс волновой функции неприемлемым решением проблемы измерения.

К счастью, есть простая и изящная альтернатива объяснению с помощью коллапса волновой функции. Проблема измерения возникает из-за присутствия тех частей волновой функции, что соответствуют альтернативам, которые на самом деле не случаются. Было бы неплохо иметь возможность просто проигнорировать их. Иначе говоря, когда датчик щелкнул и я написал вам о смерти кота, я хотел бы покончить с этим делом и перестать беспокоиться о тех частях волновой функции, в которых кот все еще жив. Пусть прошлое останется в прошлом. В каком случае мы можем себе позволить проигнорировать эти части волновой функции? Ответ на этот вопрос дали Роберт Гриффитс и Роланд Омнес и дополнили Мюррей Гелл-Манн и Джеймс Хартл: остальные части волновой функции можно проигнорировать в тот момент, когда они не оказывают на нас никакого дальнейшего влияния.

Такое решение проблемы измерения зависит не только от настоящего, но и от будущего. Если другие части волновой функции никогда больше не пересекутся с нашими, то мы говорим, что будущая история волновой функции декогерирует. Этот подход в квантовой механике изящно устраняет большинство тревожных аспектов проблемы измерения.

В случае двухщелевого эксперимента, например, есть две возможных истории. В одной из них частица проходит через левую щель и попадает на стену. В другой частица проходит через правую щель и тоже попадает на стену. Эти истории являются когерентными: они взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционные полосы на стене.

Теперь добавим к правой щели датчик. У нас по-прежнему две возможные истории. В одной из них частица проходит через левую щель и попадает на стену. В другой частица проходит через правую щель, вызывает срабатывание датчика и попадает на стену. Из-за датчика интерференционная картина исчезает. Эти две истории декогерентны: они друг с другом не смешиваются. Сходным образом в парадоксе кота Шрёдингера, после того как датчик щелкнул и кот умер, нет больше смысла смотреть на кота и проверять, мертв ли он. Смотри или не смотри, это не имеет никакого значения для будущего: кот остается мертвым. Следовательно, истории этого эксперимента – декогерентны. В этом случае мы можем сказать, что кот или жив, или мертв, но не жив и мертв одновременно.

Существует простой критерий, позволяющий решить, является ли некий набор историй когерентным или декогерентным. Вспомним, что происходит, когда мы делаем измерение. Да, измерение разрушает когерентность. Но оно не может разрушить когерентность, если ее не было с самого начала. Если осуществление последовательности измерений квантовой системы меняет ее будущее поведение, то истории, соответствующие возможным последовательностям результатов измерений, являются когерентными. Если последовательность измерений не оказывает влияния на будущее поведение системы, то истории декогерентны. В двухщелевом эксперименте измерение нарушает интерференционную картину и изменяет поведение системы: истории двухщелевого эксперимента, таким образом, являются когерентными.

Многомировая интерпретация

Идея декогерентных историй в квантовой механике дает интуитивно удовлетворительное решение проблемы измерения. Во время измерения частица и датчик становятся запутанными, и волновая функция является суперпозицией двух состояний. Одно из этих состояний соответствует тому, что «происходит на самом деле». До тех пор пока будущая история частицы и датчика (а также кота, меня и вас) является декогерентной, другое состояние не оказывает никакого дальнейшего влияния.

Другое состояние – другая часть волновой функции – в каком-то смысле все еще присутствует, хотя мы вполне можем его проигнорировать. Эта особенность побудила некоторых ученых предложить так называемую многомировую интерпретацию квантовой механики, согласно которой эта другая часть волновой функции соответствует другому миру, в котором кот жив и здоров. Сторонники многомировой интерпретации говорят, что кот действительно и жив, и мертв в одно и то же время.

В физическом сообществе нет согласия касательно многомировой интерпретации квантовой механики. В 1997 г. я обсуждал эту проблему с физиком из Оксфорда Дэвидом Дойчем, ярым сторонником многомировой картины. Я не уверен, кто вышел победителем в споре, – по крайней мере, в этом мире{10}. В последующих разделах книги я буду использовать «многоисторийную» интерпретацию квантовой механики, предложенную Гелл-Манном и Хартлом. В этой интерпретации квантовая механика поддерживает наборы декогерентных историй так, как описано выше. В реальности реализуется только одна история из этого набора. Остальные истории соответствуют недоступным частям волновой функции. Эти истории соответствуют возможным событиям, которые на самом деле не произошли. (Или, как сказал бы Дэвид Дойч, не произошли в этом мире.)

На мой взгляд, многомировая интерпретация не вполне честно используют выражение «на самом деле». Обычно люди используют фразу «на самом деле», чтобы описать то, что происходит в реальности: я на самом деле написал эти слова, и вы на самом деле их читаете. Есть другие части волновой функции, где я написал что-то другое, а вы смотрите телевизор. Но эти части волновой функции не соответствуют тому, что произошло на самом деле. Они похожи на расходящиеся тропки из рассказа Борхеса: даже если они и существуют, то не оказывают никакого влияния на реальность.