CC BY
53
2002.03.010. МЕНСКИЙ М.Б. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА: НОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, НОВЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ И НОВЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ СТАРЫХ ВОПРОСОВ//Успехи физ. наук. - М., 2000. - Т.170, N 6. - С.631-648.
Несмотря на впечатляющие вычислительные и предсказательные успехи квантовой механики (КМ), в ней еще существуют концептуальные вопросы, которые до сих пор нельзя считать решенными. Среди них ЭПР-парадокс и парадокс «шрёдингеровского кота». Их часто сводят к проблеме измерения. М.Б.Менский (Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН) предпринимает попытку обосновать существование такой формулировки КМ, в которой парадоксы не возникают и даются ответы «на все вопросы, которые обычно задают физики» (с.632). Как считает автор, парадоксы возникают лишь тогда, когда, не удовлетворяясь «физическим» уровнем теории, исследователь пытается выйти за пределы физики. В статье обсуждаются следующие принципиальные вопросы КМ: запутанные квантовые состояния и некоторые схемы использования квантовой информации; парадокс «шрёдингеровского кота» и теория декогеренции; расширение теории квантовых измерений и проблема сознания.
Стандартная КМ базируется на различении двух видов квантовых состояний: чистых и смешанных. В последние десятилетия интерес физиков привлекают запутанные (entangled) квантовые состояния. Они возникают в системах, состоящих из двух или более взаимодействующих подсистем, и не сводятся к факторизованным состояниям. Если система находится в запутанном состоянии, то состояния ее подсистем оказываются неопределенными. Между ними существуют лишь корреляции. Запутанное состояние впервые предстало в ЭПР-парадоксе. Отношения между запутанными состояниями не причинно-следственные, а корреляционные. И то же время, хотя результаты измерений двух частиц в ЭПР-парадоксе скоррелированы друг с другом, статистика измерений, выполненных над одной из частиц, не содержит никаких следов такой корреляции. При этом экспериментатор не может управлять результатами измерения и, следовательно, не может послать сигнал в точку, где расположена вторая частица: сверхсветовая передача сигнала невозможна. Специфическую корреляционную природу имеет экспериментально доказанная «квантовая нелокальность» пары частиц в запутанном состоянии, хотя процесс создания такой пары является локальным. В последнее время запутанные состояния нашли широкое применение в трех интенсивно развивающихся направлениях исследований квантовой информации: квантовая телепортация, квантовая криптография и квантовый компьютер.
Пространство состояний квантовомеханической системы линейно: наряду с любыми двумя ее состояниями возможным состоянием является и их линейная комбинация (суперпозиция). Это означает, что если точечная частица может находиться в одной из двух точек, то она может находиться и «одновременно в обеих точках», что никогда не наблюдается в классической механике. Кажется невозможным существование суперпозиций для состояний макроскопического тела, например, для двух различных положений камня. Однако возможно «усиление» двух микросостояний до суперпозиции двух макросостояний, которое происходит при квантовом измерении. Механизм усиления состоит в образовании запутанного состояния, включающего макроскопическое количество подсистем (степеней свободы). Наиболее ярко это противоречие выражается в известном парадоксе «шрёдингеровского кота». Попытка его объяснения, которая восходит к В.Гейзенбергу, основана на понятии декогеренции, которая происходит всякий раз, когда состояния квантовой системы «запутывается» с состоянием ее окружения, так что информация о состоянии системы «записывается» в состоянии ее окружения, приводя к возникновению смешанного состояния вместо исходного когерентного состояния (суперпозиции).
Декогеренция вполне удовлетворительно объясняет процесс квантового измерения, если рассматривать только открытые системы. Однако некоторые исследователи продолжают поиски более совершенной теории. С точки зрения Менского, самой убедительной мотивировкой подобных поисков является то, что теория декогеренции не объясняет, как происходит выбор (селекция) одной из альтернатив результатов измерения. Непосредственным расширением теории квантовых измерений является теория спонтанной декогеренции, в которой в уравнение Шрёдингера добавляется стохастический член, описывающий спонтанную декогеренцию. При этом декогеренция уже не определяется взаимодействием с окружающей средой, а происходит спонтанно, без внешнего влияния, становясь тем самым одним из фундаментальных законов природы. Кроме теории спонтанной декогеренции, еще, по крайней мере, три теории претендуют на более фундаментальный уровень по сравнению с КМ. Это: бомовская механика, теория совместных квантовых историй и многомировая интерпретация КМ (теория Эверетта - Уилера).
Наиболее радикальной является теория Эверетта - Уилера, суть которой состоит в том, что существует столько миров, сколько имеется альтернативных результатов измерения, причем в каждом из этих
«параллельных» миров есть своя измеряемая система, свой прибор и свой наблюдатель, которые соответствуют лишь одному результату измерения, но в разных мирах они различны. Если в обычной теории декогеренции возможны разные результаты измерения, но реализуется лишь один из них, то в теории Эверетта - Уилера одинаково реальны все результаты измерения, которые реализуются в различных мирах. В ней проблема выбора результата измерения остается, но иначе формулируется. Вместо ответа на вопрос: «Какой из результатов измерения реализуется?», появляется новый: «В каком из эвереттовских миров оказался данный наблюдатель?».
Анализ теорий измерения заставляет автора сделать вывод, «который очень труден для физика: теория, которая могла бы описывать не только множество альтернативных результатов измерения и вероятностное распределение по ним, но и механизм выбора одного из них, обязательно должна включать сознание» (с.643). Менский предлагает сделать принципиальный шаг в решении вопроса о роли сознания в квантовом измерении. Он формулирует следующую гипотезу: функция сознания состоит в том, чтобы выбрать один из результатов квантового измерения или, другими словами, один из эвереттовских миров. На вопрос «Что такое сознание?» следует ответить: «Это выбор альтернативы при квантовом измерении» (с.644). Именно «выбор альтернативы определяет, что же происходит в реальности» (там же). Кроме того, функция сознания (осознание) сама по себе является одним из этапов квантового измерения.
Следование предлагаемому подходу приводит к совершенно иному пониманию взаимоотношений между квантовым и классическим мирами. Согласно обычной точке зрения, классический мир интерпретируется как реальность, а квантовый мир (вектор состояния) существует лишь как некоторый математический образ, позволяющий предсказать классическую реальность вероятностным образом. В интерпретации Эверетта - Уилера, дополненной признанием активности сознания, объективен именно квантовый мир «параллельных» миров, потому что он не зависит от сознания. Классический же мир появляется только после того, как сознание выберет один из «параллельных» миров. Поскольку остальные «параллельные» миры не перестают существовать, постольку реальность только одного классического мира является иллюзией, возникающей в сознании наблюдателя.
В.Д.Эрекаев
