CC BY
80
^ИСТвЙСТЯйОБОЗонуХВВйшА^И
о@ШЩЁ)ШШ1ШЯШШМ ттшмШт
М. И.Турбина
Знаешь, - произнёс он, наконец, - очень трудно говорить о квантах на языке, изначально предназначенном для того, чтобы одна обезьяна могла сообщить другой, где висит спелый фрукт.
Терри Пратчетт. «Ночная стража»
Маргарита Ивановна Турбина,
криолитолог
Квантовой1 называется любая теория, основанная на «квантовой гипотезе», которую предложил миру Макс Планк в 1900 году [1]. Квантовая механика - это мир, поражающий воображение. Великий физик Р. Фейн-ман неоднократно отмечал: «Слово "квантовая" относится к той странной особенности природы, которая противоречит здравому смыслу» [2, с. 12]. Известно его высказывание: «Мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой меха-
ники никто не понимает2» [6, с. 183]. Он писал, что добиться глубокого интуитивного понимания ошеломляющих особенностей микромира необычайно трудно, поскольку природа абсурдна: «И если вы просто согласитесь, что, возможно, она ведёт себя именно таким образом, то вы увидите, что это - очаровательная и восхитительная особа. Если сможете, не мучайте себя вопросом: "Но как же так может быть?", ибо в противном случае вы зайдёте в
1 Квантовая теория имеет следующие подразделы (список неполный): квантовая механика; квантовая теория поля и её применение: ядерная физика, физика элементарных частиц, физика высоких энергий; квантовая электродинамика; квантовая хромодинами-ка; квантовая термодинамика; квантовая гравитация; квантовая теория конденсированных сред; квантовая оптика. См. также Википедия (http://reale_antiseri.academic.ru/469/ квантовая_теория).
2 «Может быть, такое высказывание слишком категорично, но до последнего времени в квантовой механике открываются новые черты, о которых никто не знал
На фото вверху - квантовая запутанность (см. сноску 20) глазами художника (http://hi-news.ru/science/kvantovaya-zaputannost-zavisima-ot-oblasti.html).
тупик, из которого ещё никто не выбрался. Никто не знает, как же так может быть» [6, с. 183].
Главные результаты квантовой механики «...возникали раньше, чем становился понятным их смысл» [7, с. 18]. Несмотря на бесспорные успехи, однозначной интерпретации этой теории до сих пор не принято3. В своей книге «Новая физика» известный учёный Пол Дэвис (г. р. 1946) пишет: «В самой основе своей квантовая механика даёт нам в высшей степени успешную процедуру для предсказания результатов наблюдений, производимых над микросистемами, но стоит нам спросить, что происходит в действительности, когда проводится наблюдение, как мы приходим к нонсенсу! Попытки вырваться из этого парадокса колеблются в широких пределах - от причудливой интерпретации множественных миров Хью Эверетта4 до мистических идей Джона фон Неймана5 и Юджина Вигнера6, привлекавших для решения парадокса сознание наблюдателя. И ныне... дискуссии о квантовом наблюдении не утихают» [цит. по 10, с. 112].
Физики продолжали ожесточённо спорить об интерпретации квантовой механики даже после того, как научились решать уравнение Шрёдингера. Говоря о квантовой механике, чаще всего придерживаются её копенгагенской интерпретации, созданной в результате многочисленных дискуссий, проходивших, в основном, в Институте теоретической физики Копенгагенского университета под руководством Н. Бора. Так называемая ортодоксальная
копенгагенская формулировка квантовой механики была разработана (с 1924 по 1927 гг.), главным образом, Бором и Гейзенбергом и представляла собой «... сеть позиций, выстроенных вокруг борновской вероятностной интерпретации волновой функции, принципа дополнительности, количественно выражаемого принципом неопределённости» [11, с. 240-241; 12]. «Суть копенгагенской интерпретации состоит в резком отделении самой системы7 от тех приборов, которые используются для измерения её конфигурации. Как подчёркивал Макс Борн, в промежутке между измерениями значения волновой функции изменяются идеально непрерывным и детерминированным образом, определяемым некоторой обобщённой версией уравнения Шрёдингера. В это время нельзя говорить, что система находится в какой-то определённой конфигурации. Если же мы измеряем конфигурацию системы (т. е. измеряем поло-жения или импульсы всех частиц, но не эти величины одновременно), система скачком переходит в состояние с той или иной конфигурацией, причём вероятности нахождения системы в этих конфигурациях определяются квадратами значений их волновых функций перед измерением» [4, с. 62]. « Чтобы разрешить несоответствия между волнами вероятности и представлением о существовании, диктуемым нашим здравым смыслом, Бор и Гейзенберг предположили, что после измерения. волновая функция волшебным образом "коллапсирует"8, и электрон впадает в определённое
двадцать лет назад. Рождённая наука живет своей жизнью и раскрывает перед изумлёнными исследователями всё новые качества, о которых её создатели не подозревали» [3, с. 4]. Тем не менее, трудности в понимании этой теории существуют. Вот простой пример. Ещё в начале 1990-х годов С. Вайнберг как-то спросил у коллеги, почему исчез из вида студент-старшекурсник, подававший большие надежды в теоретической физике, и что помешало бывшему студенту продолжить исследования. Грустно покачав головой, тот ответил: «Он попытался понять квантовую механику» [4, с. 69].
3 В настоящее время вопрос интерпретации квантовой механики представляется, скорее, философским, нежели физическим. Большинство практикующих учёных используют квантовую физику, не заботясь о фундаментальных проблемах её интерпретации. Для них эта наука представляет собой набор приёмов, результатом применения которых являются правильные вероятности, определяемые со сверхъестественной точностью. На «зыбучих песках» вероятностей базируются чудеса современного мира - лазеры, Интернет, компьютеры, телевидение, сотовые телефоны, радары и т. п. [1, 8].
4 Хью Эверетт III (1930 - 1982 гг.), самый парадоксальный физик XX в., предложивший квантовую теорию многих миров. Эта идея невероятно безумна и до такой же степени гениальна - ведь до сих пор так и не было предоставлено ни одного внятного её опровержения! (http://miruspehinfo.ru/duxovnyj-rost/teoriya-everetta.html).
5 Джон (Янош) фон Нейман (1903 - 1957 гг.), амер. математик и физик. Труды по функцион. анализу, теории игр и квантовой механике. Внёс большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения [9].
6 Вигнер Юджин Пол (1902 - 1995 гг.), амер. физик. Одним из первых показал эффективность применения теории групп и симметрии в квантовой механике. Ноб. пр. (1963 г.) [9].
7 Нобелевский лауреат С. Вайнберг так оценивает данное положение: «Ортодоксальная копенгагенская интерпретация базируется на резком разграничении физической системы, управляемой законами квантовой механики, и прибора, используемого для изучения этой системы и описываемого классически, т. е. согласно законам доквантовой физики (рис. 1. - Прим. М. Т.). Но это различие в подходах к системе, которую наблюдают, и прибору, которым это делают, есть несомненная фикция. Мы полагаем, что квантовая механика управляет всем во Вселенной, не только поведением отдельных электронов, но и поведением измерительных приборов и самих людей, использующих эти приборы. Если волновая функция описывает измерительный прибор, так же как и наблюдаемую систему, и при этом эволюционирует детерминированно по законам квантовой механики даже во время измерения, то откуда же берутся вероятности?» [4, с. 68].
8 Коллапс волновой функции или редукция фон Неймана - мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении (https://ru.wikipedia.org/wiki/Редукция_фон_Неймана). Стандартная квантовая механика вводит дополнительный «процесс» - коллапс волновой функции, поскольку уравнение Шрёдингера не указывает никакого механизма для перехода от амплитуд, описываемых этим уравнением, к собственно вероятностям. В центре проблемы измерения оказывается, таким образом, интерпретация этого коллапса [10]. Уравнение Шрёдингера «...гарантирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно» [14, с. 210]. Однако при измерении положения электрона «...реализуется связь электрона с наблюдаемой реальностью, и когда мы это делаем, форма его волновой функции меняется резко и прерывисто... образует пик, т. е. коллапсирует, падая до нуля везде, где частица не найдена, и вырастает до 100 %-й вероятности в единственном месте, где частица найдена измерением... Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путём постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределённости и сделать одну из потенциальных возможностей (частица "здесь" или частица "там") действительной» [14, с. 210-211].
МНОГОМИРОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
Рис. 1. Две интерпретации, по-разному представляющие квантовое измерение [13]
состояние... (см. рис. 1. - Прим. М. Т.). Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние электрона. и больше нет нужды в волновых функциях» [5, с. 176].
Таким образом, по Бору, наблюдение жизненно необходимо для существования реальности. Гейзенберг также считал данные наблюдений единственной реальностью [11]. Эйнштейн «...верил в существование абсолютной реальности за пределами человеческого опыта. Эйнштейн называет это "объективной реальностью", то есть идеей, согласно которой объекты могут существовать в различных состояниях без вмешательства человека» [5, с. 180]. Вайнберг пишет: «. философия квантовой механики настолько не имеет отношения к её реальному использованию, что начинаешь подозревать, что все её глубокие вопросы о смысле измерения на самом деле пусты, порождены несовершенством нашего языка, который создавался в мире, практически управляющемся законами классической физики. Но я признаю, что ощущаю некоторый дискомфорт, всю жизнь используя теорию, которую никто толком не понимает. Нам ведь на самом деле необходимо лучше понимать квантовую механику, если мы хотим заниматься квантовой космологией, т. е. применением квантовой механики к Вселенной в целом, когда даже вообразить нельзя, что существует какой-то внешний наблюдатель» [4, с. 70]. Ему вторит Пригожин9: «В соответствии с духом ортодоксальной квантовой теории, квантовые скачки должны быть обусловлены нашим измерением! Принять по-
добное утверждение тем более трудно, что квантовые скачки являются основным механизмом химических реакций. Можно ли химию считать результатом нашего наблюдения? Если это так, то кто наблюдал химические реакции, которые привели к возникновению жизни?» [10, с. 111-112].
В последующие десятилетия господствовало представление о том, что попытаться проанализировать, «. как, когда и почему квантовая волновая функция отбрасывает все возможности, кроме одной, и даёт одно определённое число на измерительном приборе, - ошибочная идея. Измеренное число само по себе является всем, что заслуживает внимания» [14, с. 214]. Однако такой подход не способствовал развитию научной мысли и не давал понять, «...как квантовая механика связана с повседневным опытом - как она перекидывает мост через пропасть между волновой функцией и наблюдением, и какая скрытая реальность лежит в основе наблюдений [14, с. 214].
Копенгагенская интерпретация квантовой механики неоднократно подвергалась критике. Тем не менее до недавнего времени она была самой популярной «..после сугубо инструментального подхода, сформулированного Дэвидом Мермином (физик-теоретик. -Прим. М. Т.) в словах: "Заткнись и считай" (часто эту фразу приписывают Ричарду Фейнману), однако в последние годы она стала терять свои позиции. Сейчас копенгагенская уступает так называемой многомировой интерпретации» [7, с. 18] (см. сноску 11). Такое определение закрепилось только после аналитических работ гениальных физиков-теоретиков Брайса Девитта (1923 - 2004 гг.) и Джона Уилера (1911 - 2008 гг.), самого остроумного физика XX в. [17].
Идеи, ставшие основой гипотезы множественных миров, во многом изменившей взгляд на мир, появились в 1954 г. у Хью Эверетта III (рис. 2) - аспиранта Д. Уилера (Принстонский университет, США). Н. Бор сначала активно поддержал молодого учёного и даже посетил Принстон (рис. 3). В 1957 году Эверетт представил диссертационную статью («Формулировка квантовой теории в терминах "соотнесённых состояний"»10),
9 Пригожин Илья Романович (1917 - 2003 гг.), бельгийский (российского происхождения) физик и физикохимик, один из основоположников термодинамики неравновесных процессов. Ноб. пр. (1977 г.) [9].
10- Очень важно понять значение термина «соотнесённые состояния». Согласно Эверетту, «...в любой сложной системе, состоящей из выделенных по каким-то правилам подсистем, "подсистемы не имеют состояний, независимых от состояний остальных частей системы". То есть: всё связано со всем (хотя, разумеется, степень связи может быть различной). Под "наблюдателем" Эверетт понимает не только человека, но и любую механическую или электронную систему, способную запоминать предыдущие результаты и действовать в соответствии с последним результатом наблюдения. В зависимости от состояния объекта, состояния наблюдателя будут различными, а "истинное" определяется как суперпозиция (сумма) всех физически возможных состояний. Иными словами, именно пара "объект-наблюдатель" при каждом событии (взаимодействии внутри объекта и фиксации результата) "расщепляется" и принимает состояния, соответствующие физически возможным результатам такого взаимодействия. Но, поскольку пара - это подсистема, вместе с ней делится, ветвится, расщепляется и вся система, т. е. Вселенная» [15, с. 41]. Позже по предложению Б. Девитта соотнесённые состояния стали называть многомирием.
в которой предложил гипотезу многомирия11, ставшую сенсацией. Но вскоре вокруг статьи, переворачивающей все представления о Вселенной, возникло нечто, похожее на «заговор молчания». Физическое сообщество постаралось её не заметить. Как предполагают некоторые физики, Бор, очень хорошо осознавший «взрывной характер» гипотезы Эверетта, не дал возможности молодому учёному её раскрыть [16].
Прошло время, и гипотеза множественных вселенных была признана допустимой. В 1970-х годах Уилеру и Девит-ту удалось возродить интерес физиков к идеям Эверетта.
Эверетт с этим согласился [16]. Самое важное в многомирии Эверетта - ветвление вселенных, необходимым условием которого является изменение состояния системы, происходящее при наблюдении. В квантовой механике установлено, что наблюдение - это всегда взаимодействие с наблюдаемым объектом (освещение, нагрев, механические операции, получение информации от объекта). И даже при пассивном наблюдении информация получается путём «изъятия» из окружающей объект среды, по крайней мере, части квантов излучения, что влияет и на состояние объекта, и на наблюдателя, состояние которого изменяется после получения информации. Это принципиально отличает трактовку Эверетта от «стандартной», рассматривающей изменение только объекта. Эверетт предлагает учитывать не только физическое, но и информационное изменение в состоянии наблюдателя. «Это важнейшее дополнение Эверетта к понятийному аппарату квантовой механики следует из того, что V - функция наблюдателя - в качестве параметра содержит его память. Если наблюдателем является прибор (фотопластинка, счётчик Гейгера, камера Вильсона и т. п.), то изменение его памяти детерминировано свойствами прибора (засветка, импульс тока, конденсация паров и т. п.). Если же наблюдатель разумен, то картина существенно усложняется... изменение состояния разумного наблюдателя определяется не только информацией, полученной из опыта, но и волевой интерпретацией этой информации» [15, с. 42].
11 Многомировая интерпретация возникла в попытке уйти от некоторых спорных квантово-механических формулировок в рамках копенгагенской интерпретации. Большую роль сыграли неудовлетворённость искусственным разделением систем и наблюдателей, а также попытка преодоления квантового парадокса, порождаемого заключением об ответственности за коллапс наблюдателя (см. сноску 12) и производимых им измерений [10, 15]. По Эверетту, «...измерения типа здесь-там над частицей представляют определённое взаимодействие между частицей и прибором, в результате которого волновая функция комбинированной системы перестраивается так, что имеет заметные значения лишь для двух конфигураций; одно значение соответствует конфигурации, в которой частица находится здесь, и указатель прибора указывает на здесь, другое значение соответствует возможности, что частица находится там, и прибор показывает там. Существует и определённая волновая функция, возникшая совершенно детерминированным образом по законам квантовой механики в результате взаимодействия частицы с измерительным прибором. Однако два значения волновой функции соответствуют двум состояниям с разной энергией, а так как измерительный прибор макроскопический, то разница в энергиях двух состояний очень велика, и два значения волновой функции осциллируют на сильно отличающихся частотах. Наблюдение положения указателя на приборе напоминает случайную настройку на одну из двух радиостанций, WZ-ЗДЕСЬ и YX-ТАМ; если несущие частоты достаточно разделены, интерференции не возникает, и вы принимаете ту или другую радиостанцию с вероятностью, пропорциональной интенсивности сигнала. Отсутствие интерференции между двумя значениями волновой функции означает, что, по существу, мировая история расщепилась на две истории, в одной из которых частица находится здесь, а в другой - там, и с этого момента две истории развиваются без взаимодействия друг с другом» [4, с. 68] (см. рис. 1 и сноску 13). В подходе Эверетта существование коллапса волновой функции отрицается и предполагается, что «...любой и каждый потенциальный результат, включённый в волновую функцию, реализуется; однако происходит это в его собственной отдельной Вселенной» [14, с. 215]. Эверетт расширил понятие «Вселенная» и постулировал существование волновой функции сразу для всей Вселенной. Он считал, что каждый раз, когда происходит взаимодействие между двумя квантовыми системами, волновая функция Вселенной расщепляется надвое, становясь звеном в бесконечной череде расщепляющихся вселенных. Эверетт оговорил возможность того, что кот (см. рис. 7) может быть одновременно и жив, и мёртв в двух различных вселенных [5, с. 192]. «На самом деле никакого коллапса не происходит, а все члены суперпозиции становятся реальными, но... в разных мирах» [15, с. 41]. (Отсюда следует, что подход Эверетта даёт ответ на вопрос Эйнштейна (см. сноску 13)). Таким образом, «...согласно такой трактовке, ни один из возможных исходов квантового взаимодействия не остаётся нереализованным, однако каждый из них осуществляется в своей вселенной, совокупность которых составляет физический Мультиверс. То есть признаётся реальным физическое многомирие. Вселенная в каждый микромомент ветвится на параллельные микромиры. Каждый такой мир представляет собой некую комбинацию микрособытий, которая могла бы реализоваться вследствие вероятностной изменчивости мира. Другими словами, каждый такой мир - как бы ветвь колоссального Древа Времени, развивающаяся в момент ответвления уже по своим законам» [15, с. 41]. «Некоторым сложно понять, каким образом вести учёт всех этих множащихся вселенных. Однако волновое уравнение Шрёдингера решает это автоматически. Отслеживая развитие волнового уравнения, мы сразу находим все многочисленные ветви волны... Если эта интерпретация верна, то в это самое время ваше тело сосуществует с волновыми функциями динозавров, сцепившихся
Рис. 2. Хью Рис. 3. Встреча Бора (в центре) и Эверетта
Эверетт III (второй справа) в Принстонском университете
(1930 - 1982 гг.) [13] в ноябре 1954 г. [16]
Однако, как считал известный отечественный астрофизик И. С. Шкловский (1916 - 1985 гг.), в то время наука была не в состоянии даже подойти к проблеме многомирия, и придётся подождать, по крайней мере, до XXI в. Тем не менее идеи Эверетта оказали большое влияние на разработки в области теоретической физики, например, позволили предсказать явление квантовой декогеренции (см. сноску 13) (объяснение того факта, что вероятностный характер квантовой
механики реализуется однозначно в конкретном мире нашего опыта), а также вызвали ещё один поток работ в области квантовой космологии [13, 17]. Дэвид Дойч (г. р. 1953), один из основателей теории квантовых вычислений, называет Эверетта одним из лучших умов ХХ в. [16].
В наступившем XXI в. многомировая интерпретация квантовой механики приобретает всё более широкое признание среди физиков15 и стимулирует интерес
в смертельной схватке... Вместе с вами в комнате сосуществуют волновые функции того мира, в котором вы никогда так и не родились, в котором бродят инопланетные пришельцы... Загвоздка в том, что мы не можем с ними больше взаимодействовать, поскольку... наша волновая функция декогерировала с этими иными мирами (то есть эти волны больше не находятся в фазе друг с другом» [5, с. 193-194]. Проводя параллель между особенностями теории многих миров и возможностью принимать в данный момент времени из множества передаваемых радиоволн только волны одной определённой частоты, на которую настроен приёмник, С. Вайнберг говорит, что подобно этому и мы в нашей Вселенной «настроены» на частоту, которая соответствует физической реальности. Эвереттовская точка зрения позволяет учёным получить те же результаты, что и копенгагенский подход, но без всякой необходимости в коллапсе волновой функции. «Коллапс волновой функции Бора в математическом отношении эквивалентен действию окружающей среды» [5, с. 195].
12 Учёные провели эксперимент, результат которого ставит под сомнение эффект наблюдателя - одну из основ квантовой теории. Согласно интерпретации квантовой механики, предполагавшей квантовую декогеренцию (см. сноску 13), редукция не считается каким-то внезапным процессом. Наоборот, квантовое состояние «плавно» коллапсирует по мере того, как квантовая система взаимодействует с окружающей средой. Только в 2006 г. группе зарубежных учёных удалось показать, что должен существовать какой-то интервал, во время которого можно остановить редукцию, и они решили экспериментально подтвердить возможность избежать редукции волновой функции. Физики измерили изменение квантового состояния сверхпроводникового фазового (потокового) кубита (см. сноску 14), разработав такую схему, чтобы он фактически мог поддерживать суперпозицию (возможность одновременного существования в двух альтернативных состояниях). Любая попытка измерить энергию напрямую должна была, по классическим представлениям, «заставить» кубит оказаться в одном из двух состояний, т. е. вызвать редукцию волновой функции. Но в новом эксперименте этого удалось избежать. Используя туннельный эффект (явление, при котором микрочастица способна переходить в другое состояние, хотя её энергия меньше определённого барьера, требуемого классическими законами), физики смогли косвенно измерить (этим и определился успех) энергетическое состояние кубита, поскольку момент фазового «скачка» фиксировался аппаратурой (он сопровождался сигнальным колебанием магнитного поля). «Это означает, что мы смогли измерить коллапс и избежать при этом влияния эффекта наблюдателя», - говорит один из участников эксперимента. Полученные отзывы характеризуют результаты опыта как «прорыв», поскольку они могут привести к пересмотру всей системы восприятия «классической» реальности. Вот некоторые из высказываний: «Теперь мы даже не можем сказать, что измерения формируют реальность, - ведь можно элиминировать (удалить. - Прим. М. Т.) эффекты замеров и начать всё заново»; «Квантовый мир стал ещё более хрупким, а реальность ещё более таинственной» (http://www.membrana.ru/particle/1901).
13 Это понятие впервые было сформулировано немецким физиком Д. Це в 1970 г. [5, 14]. Он заметил, что в реальном мире нельзя отделить кота (всё того же - см. рис. 7) от окружающей среды. Кот постоянно контактирует с воздухом, коробкой и даже космическими лучами, пронизывающими эксперимент. Эти взаимодействия, независимо от величины, оказывают радикальное влияние на волновую функцию кота, даже незначительное нарушение которой приводит к её распаду на две - живого кота и мёртвого. Це заметил также то, что было упущено: чтобы кот мог быть одновременно и жив, и мёртв, две образовавшиеся волновые функции должны вибрировать с практически полной синхронизацией. Это состояние называется когерентным. (Создать когерентные объекты практически невозможно. Даже в лабораторных условиях сложно получить больше горсточки когерентно вибрирующих атомов из-за взаимодействия с внешним миром). Це принадлежит и ключевой вывод: в реальном мире малейшее взаимодействие системы с его объектами может нарушить две образовавшиеся волновые функции, они начнут декогерировать (рассинхронизироваться) и разделяться. Он показал также, что две волновые функции, перестающие вибрировать в фазе друг с другом, более не взаимодействуют между собой [5]. «Декогеренция означает, что задолго до того, как вы откроете ящик, окружающая среда уже завершила миллиарды наблюдений кота, которые почти совсем без затрат времени заменили все мистические квантовые вероятности на их менее мистические классические двойники... и заставила кота принять одно единственное, определённое состояние» [14, с. 221]. Но остаётся вопрос, беспокоивший ещё Эйнштейна, - каким образом Природа «выбирает» окончательное состояние кота? (см. сноску 11). Здесь теория декогеренции хранит молчание [5]. Декогеренция «...является широко распространённым явлением, которое наводит мост между квантовой физикой малого и классической физикой не столь уж малого через подавление квантовой интерференции - т. е. путём резкого уменьшения того, что является ключевым различием квантовой и классической вероятности» [14, с. 219]. «...Хотя многие согласны, что вызванная окружающей средой декогеренция является частью структуры, перекидывающей мост над пропастью между квантовым и классическим, и в то же время... далеко не каждый убеждён, что мост уже полностью построен» [14, с. 220-223].
14 Кубит - аналог классического носителя информации, известного как обычный бит в компьютерах. Классический бит - некая логическая единица, которая может принимать два значения, скажем - ноль и единица. Их можно реализовывать при помощи транзисторов, способных переключаться между состояниями с разным напряжением, которым можно присвоить значения - ноль и единица. Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Причём перекрываются в разной пропорции, т. е. количество состояний кубита бесконечно, и его можно записать как сумму состояний ноль и один с разными коэффициентами (которые, вообще говоря, комплексные числа) таким образом, что сумма квадратов модулей коэффициентов равняется единице. Кубиты как бы реализуются в виде совершенно разных объектов - атомов, ионов, фотонов и др. (http://sdelanounas.ru/blogs/36253/).
15 В России идеи множественности миров развивал профессор ФИАН М. Б. Менский (1939 - 2015 гг.) - известный специалист в области квантовых измерений. Он постулировал наличие единой квантовой реальности мира до и после его взаимодействия с измерительным прибором. «При этом квантовый мир есть суперпозиция его классических состояний, из которых сознание (мозг) наблюдателя как тоже квантовая система выбирает при каждом измерении только один вариант» [18, с. 113].
к парадоксам квантовой науки [4, 5]. К эве-реттике, как к новому научному мировоззрению, начинают обращаться не только физики, но и философы, историки, психиатры, верующие, а также представители других наук и мировоззрений, находящие в ней решение своих проблем [15]. Современная эвереттика пытается выяснить степень влияния многомирия, являющегося с точки зрения физики не только «образным», но и вполне физическим понятием, на нашу реальность [16]. Известный квантовый физик А. Львовский16 (рис. 4) считает многомировую интерпретацию квантовой механики единственно логичной. «При этом она совершенно невообразима: очень многими нашими представлениями о мире приходится пожертвовать» [20, с. 52].
Концепция Эверетта считается аксиоматической метатеорией. Это означает, что все существующие представления квантовой механики являются одним из её частных случаев [15]. В настоящее время в эвереттике имеется несколько подходов к описанию следствий основного её постулата, и каждый из них включает свой дополнительный постулат. Наиболее важные из них: концепция «безвременья» (Барбур), концепция сознания как причины эвереттических ветвлений (Менский), концепция множественности историй (Гелл-Ман, Переслегин, Гуц) и концепция «склеек» эвереттических ветвей (Лебедев) [15].
В брюссельской интерпретации квантовой механики И. Пригожина применимость волновых функций ограничивается и подчёркивается принципиальная несводимость получаемых решений к волновым функциям отдельных частиц. Становится необходимым статистическое описание, и рассуждение строится в терминах ансамблей. В отличие от копенгагенской интерпретации квантовой механики, здесь не требуется постулата о редукции волнового пакета и существования внешнего наблюдателя с классическим прибором. В этом есть некоторое сходство с многомировой интерпретацией Эверетта, так как можно вводить понятие волновой функции Вселенной. Введение вероятностей в концепции Пригожина вполне совместимо с физическим реализмом, и его не требуется объяснять неполнотой нашего знания. Наблюдатель более не играет активной роли в эволюции природы. По крайней мере играет роль не большую, чем в классической физике [10, 21].
В концепции Р. Пенроуза коллапс волновой функции признается объективной реальностью, т. е. физическим процессом. Согласно его теории коллапс происходит случайно, а сам наблюдатель никакой роли в этом процессе не играет [8].
Рис. 4. Александр Львовский (справа) и Александр Уланов в лаборатории квантовой оптики в Российском квантовом центре (РКЦ) (фото РКЦ [19])
Попытки устранить парадоксы квантовой теории или преобразовать их в форму, доставляющую меньше проблем (см. рис. 7), делаются и в кьюбизме [12]. Согласно этой модели «...коллапс волновой функции -это внезапный и дискретный пересмотр наблюдателем своей оценки распределения вероятности на основе информации... Квантовая система не испытывает никакого странного и необъяснимого изменения; изменяется лишь волновая функция, которая выбрана наблюдателем в качестве полного описания ожиданий» [22, с. 83] (см. рис. 7). Мермин надеется, что кью-бизм «...поможет физикам сосредоточиться на действительно фундаментальных свойствах квантовой теории ... и "прекратить тратить своё время на придумывание глупых вопросов об иллюзорных загадках"» [цит. по 22, с. 83-84].
Пытаются представить, что происходит в квантовом мире, и другие альтернативные гипотезы, среди которых популярны, например, интерпретация с управляющим полем и теория спонтанного коллапса [22]. В основе нескольких информационных интерпретаций лежит идея о том, что при измерении наблюдатель извлекает из системы некоторую информацию, которая, с одной стороны, воспринимается как результат наблюдения, с другой - меняет саму измеряемую квантовую систему, поскольку та информацию теряет. Несмотря на то, что эти идеи носят идеалистический характер, поскольку помещают в основу реальности информацию, а не материю, многие называют этот подход перспективным [8].
«Мы вынуждены признать, что наш взгляд на реальность является лишь одним из многих, в
16 Львовский Александр Исаевич, д.ф.-м.н. - выпускник Московского физико-технического института, профессор физического факультета университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра. В настоящее время он базируется в Калгари, но когда в России будет создан Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий, учёный собирается переехать на Родину [19].
сущности, - из бесконечно многих взглядов, которые все прекрасно встраиваются в картину целостного пространства-времени» [14, с. 90].
Смысл новой реальности микромира продолжал будоражить умы учёных. На Пятом Сольвеевском конгрессе17 (рис. 5), состоявшемся в 1927 г., Эйнштейн решительно выступил против копенгагенской интерпретации, трактующей математическую модель квантовой механики как вероятностную. Он заявил, что вероятностный характер свидетельствует лишь о том, что наше знание физической сущности микропроцессов неполно. Эйнштейн надеялся доказать «невероятность. господства вероятностей» [23]. Он писал: «Некоторые физики, в том числе и я сам, не могут поверить, что мы раз и навсегда должны отказаться от идеи прямого изображения физической реальности в пространстве и времени или что мы должны согласиться с мнением, будто явления в природе подобны игре случая» [24, с. 76].
Дискуссии последующих лет можно считать попытками анализа «более глубокой» реальности, находящейся за пределами того, что мы можем знать посредством измерений [14]. Эйнштейн одним из первых физиков увидел и резко критиковал приводящее в замешательство явление, предсказанное на основе законов квантовой механики. Суть этого явления: нечто, что мы делаем здесь (например, измерение определённых характеристик частицы), может быть тонким образом переплетено с чем-то, что происходит где-то там (наподобие результата измерения определённых характеристик другой удалённой частицы) без передачи отсюда туда чего бы то ни было. Такие дальнодействующие связи, допускаемые квантовой механикой, Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии»18 [14, с. 92; 25].
Рис. 5. Гоуппа участников Сольвеевского конгресса (1927 г.).
Верхний ряд (слева направо) - Э. Шрёдингер, Ж. Вершафельт, В. Паули, В. Гейзенберг, Р. Фаулер, Л. Бриллюэн; средний ряд - А. Комптон, Л. де Бройль, М. Борн, Н. Бор; нижний ряд - А. Эйнштейн, П. Ланжевен, Ш. Гюи, Ч. Вильсон, О. Ричардсон (http://pikabu.ru/story/fiziki_khimiki_matematiki_3465016)
В 1935 году Эйнштейном в соавторстве с его молодыми коллегами Н. Розеном и Б. Подольским была написана статья «Можно ли считать квантово-механическое
17 Сольвеевские конференции - серия международных конференций по обсуждению фундаментальных проблем физики и химии, проводимых с 1911 г. в Брюсселе международными Сольвеевскими институтами физики и химии (https://ru.wikipedia.org/wiki/ Сольвеевские_конгрессы).
18 Однако существование дальнодействующих связей было подтверждено в экспериментах. Но эти связи «...чрезвычайно тонки и находятся, в точном смысле этого слова, принципиально за пределом возможностей нашего контроля» [14, с. 92]. Тем не менее результаты, полученные как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями, убедительно показывают, что Вселенная допускает нелокальные (см. сноску 19) взаимодействия. «Нечто, происходящее здесь, может быть переплетено с чем-то, происходящим там, даже если ничего не передаётся отсюда туда - и даже если не хватает времени, чтобы хоть что-то, включая свет, могло передаться между событиями. Это значит, что пространство не может рассматриваться как прежде: промежуточное пространство, независимо от того, насколько оно велико, не гарантирует, что два объекта разделены, поскольку квантовая механика допускает запутывание (см. сноску 20. - Прим. М. Т.) - определённый тип связи, которая может существовать между ними. Частица, подобная одной из бесчисленного числа тех, из которых состоите вы или я, может убежать, но не спрятаться. Согласно квантовой теории и многочисленным экспериментам, подтверждающим её предсказания, квантовые связи между двумя частицами могут сохраняться, даже если сами частицы находятся на противоположных концах Вселенной. С точки зрения их запутывания всё происходит так, как если бы они были совсем рядом друг с другом, несмотря на многие триллионы километров пространства между ними» [14, с. 92].
19 Нелокальность - нарушение принципа близкодействия (см. сноску 21). Нахождение частицы в нескольких местах одновременно, или, если быть более точным, наличие у частицы одновременно нескольких состояний. Физики называют это квантовой суперпозицией. Квантовый объект (такой как атом, электрон, фотон, бозон и прочие) всегда до определённого события пребывает более чем в одном состоянии (http://quantuz.livejournal.com/3485.html).
20 Квантовая запутанность (перепутанность) - квантово-механическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа удалённых друг от друга объектов оказываются взаимозависимыми, и у них наблюдаются квантовые корреляции (см. сноску 22). Перепутанное состояние физики характеризуют так: «Если сделано что-нибудь с одной частицей, то вторая... сразу "узнаёт" об изменении первой частицы» [26, с. 37]. Такая взаимосвязь сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий, что находится в логическом противоречии с принципом локальности. Запутанное состояние двух частиц, у которых и координаты, и импульсы равны друг другу, но при этом нам неизвестны, может возникнуть, например, при распаде фотона на два других с меньшей энергией [27].
21 Принцип близкодействия (или локальность): изменить состояние объекта может только то, что с ним взаимодействует [20, с. 50].
описание физической реальности полным?» с целью атаки на квантовую механику23. В ней они описали мысленный эксперимент25, впоследствии названый парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР-пара-докс) [14].
В результате блестящего анализа системы из двух взаимосвязанных (коррелированных) частиц ЭПР сделали вывод: «...так как во время измерения эти две системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций над первой системой во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений» [28, с. 444]. Учёные понимали, что «. они не смогли бы одновременно определить и положение, и скорость любой данной частицы. Однако - и в этом вся суть - рассуждение ЭПР показывает, что каждая частица имеет определённое положение и скорость, даже если положение и скорость не опре-
деляются... а принцип неопределённости выражает фундаментальную ограниченность подхода квантовой механики. Такой им виделась реальность, а теория, как они полагали, не может претендовать на полноту, если есть элементы реальности, которые она не может описать» [14, с. 114].
Это неожиданное рассуждение заставило защитников квантовой механики в поисках ответа прибегнуть к своему обычному прагматическому подходу, ярко выраженному выдающимся физиком В. Паули: «Не следует ломать себе голову над проблемой существования чего-либо, о чём невозможно узнать, как над старым вопросом, сколько ангелов может уместиться на кончике иглы»2В [цит. по 14, с. 114].
С обширными комментариями к работе Эйнштейна и его коллег одним из первых выступил Бор. Конечные выводы учёного указывали, что ЭПР-парадокс возник
22 Корреляции между удалёнными объектами могут существовать и в классической физике. Самый известный пример с перчатками: выйдя из дома, вы обнаруживаете, что забыли одну перчатку, однако легко догадываетесь какую (правую или левую), определив взятую с собой перчатку. Квантовые корреляции существуют между величинами, управляемыми законами квантовой механики, - это состояние системы, в котором свойства одной части системы влияют на свойства другой. Это не означает, что эти части реально, физически взаимодействуют, сами части могут находиться сколько угодно далеко друг от друга в нашем обычном пространстве. Но, тем не менее, между ними существует связь [25], (http://www.membrana.ru/particle/11572). Эти корреляции можно обнаружить экспериментально, что и было сделано впервые свыше двадцати лет назад. Сейчас подобный эффект используется в разнообразных опытах.
23 На самом деле проблема, поднятая этими учёными, может считаться началом большого переворота в нашем понимании реальности (см. сноску 24). Спустя десятилетия, когда стало возможным направить мощь экспериментальных исследований на предполагаемый квантовый абсурд, выяснилось, что «...мгновенная связь между тем, что происходит в очень удалённых друг от друга местах, действительно может иметь место. В строгих лабораторных условиях действительно происходит то, что Эйнштейн считал абсурдом» [14, с. 126]. Обсуждение ЭПР-парадокса стимулировало интерес к коррелированным состояниям квантовых частиц. Когда такие состояния были обнаружены экспериментально для фотонов, началось бурное развитие новых областей в физике, например, квантовой криптографии, квантовой оптики [12], квантовых коммуникаций. «Фотон - единственная квантовая частица, которая может путешествовать» [20, с. 46]. Учёным удаётся не только получить необходимое квантовое состояние, но и передать его на какое-то расстояние.
24 «Жуткий эффект» квантовой запутанности, вызывавший сильное беспокойство Эйнштейна, по иронии развития научной мысли «...возможно, поможет соорудить мост, по которому теория относительности Эйнштейна проникнет в квантовый мир» [25, с. 84].
25 Учёные активно использовали мысленные эксперименты при отсутствии в то время опытной базы квантовой механики. Данное понятие ввёл австрийский физик, механик, философ Эрнст Мах (1838 - 1916 гг.).
26 Установившаяся после бурных обсуждений пауза была прервана в 1964 г., когда ирландский физик Д. Белл нашёл способ подсчитать количество ангелов Паули. «Белл обнаружил нечто, что ускользнуло от Эйнштейна, Бора и других гигантов теоретической физики XX века: он нашёл, что просто существование определённых вещей, даже если их невозможно явно измерить или определить, имеет следствия, которые можно проверить экспериментально. Белл показал, что если ЭПР правы, то результаты, полученные двумя далеко разнесёнными в пространстве детекторами, измеряющими определённые характеристики частиц... совпадут более чем в 50 % случаев» [14, с. 124]. Нарушение этого неравенства укажет «...на присутствие существенно квантово-механических эффектов - это и есть эффекты квантового перепутывания физически разделённых частиц, - которые нельзя объяснить в рамках любой модели, считающей частицы несвязанными и независимыми» [29, с. 494]. Однако технология, позволившая провести требуемый эксперимент, появилась только в начале 1970-х годов. С тех пор начали проводиться всё более тонкие опыты. Самым впечатляющим был проведённый в начале 1980-х годов А. Аспектом с сотрудниками эксперимент, в результате которого они установили, что утверждение ЭПР можно считать опровергнутым: показания детекторов, разнесённых друг от друга на 13 м, не совпали более чем в 50 % случаев. Таким образом, «...путём косвенной, но правильно выстроенной аргументации, эксперименты ведут нас к заключению, что удалённый объект "там" может чувствовать, что вы делаете с другим объектом "здесь"... Квантовая механика показывает, что хотя частицы случайным образом выбирают те или иные величины во время измерения, эти случайности могут быть связаны друг с другом через пространство. Пары должным образом подготовленных частиц... выбирают свои характеристики не независимо друг от друга» [14, с. 124-125]. В 1997 г. по схеме Аспекта был проведён эксперимент, в котором детекторы были удалены друг от друга на расстояние 11 км. Результат остался прежним. «Это выглядит совершенно противоестественно. Но теперь есть неоспоримое доказательство... квантовой запутанности. Если два фотона запутаны, то измерение спина любого фотона относительно одной оси "заставляет" другой, удалённый фотон принять тот же спин относительно той же оси; акт измерения одного фотона "вынуждает" другой, возможно, удалённый фотон вынырнуть из тумана вероятности и принять определённое значение спина - значение, которое в точности равно спину его удалённого напарника. И это поражает разум» [14, с. 126].
Эксперименты по квантовому запутыванию продолжаются до сих пор, и все они свидетельствуют в пользу нарушения локальности. Цель усовершенствования экспериментов - устранение «дыр». Одной из таких «дыр», которую до недавнего времени не удавалось убрать, была потеря доли частиц по дороге к детектору и при детектировании. Эксперимент, в результате которого все «дыры» были устранены, проведён лишь летом 2015 г. Эта серия опытов подтвердила, что квантовая механика верна, и нелокальность является необходимой частью физики мира, хотя она и противоречит интуитивному здравому смыслу [20].
вследствие предположения о локальности квантовых систем. Признание существования связи между разделившимися частями целостной квантовой системы его устраняет. Бор подчеркнул, что Эйнштейн вправе полагать квантовую теорию неполной, но её практическая эффективность от этого не уменьшается27 [17]. Спор двух великих физиков - Бора и Эйнштейна (рис. 6) - по фундаментальным основам квантовой теории продолжался.
Рис. 6. Нильс Бор и Альберт Эйнштейн -полемика гениев [31, с. 102]
Парадоксальность квантовой логики вызывала не утихавшие дискуссии по поводу знаменитого парадокса кота Шрёдингера (в первоначальном варианте его статьи была кошка), породившего множество заблуждений. В 1935 году учёный придумал мысленный эксперимент, чтобы обратить внимание на необычный характер квантовых суперпозиционных состояний, противоречащий нашему обыденному восприятию окружающей реальности (рис. 7) [22, 31]. Вокруг квантового образа
кота было так много споров, что С. Хокинг уставал и говорил: «Когда я слышу слова "кот Шрёдингера", я хватаюсь за пистолет» [цит. по 32, с. 74]. Своё отношение к «кошачьей проблеме» чётко и остроумно определили наши учёные В. Гинзбург, Д. Клышко и А. Лип-кин: «Существуют фундаментальные квантовые эффекты вероятностной природы на микроуровне в строго ограниченных масштабах молекул, атомов и элементарных частиц. Существуют также очень редкие макроквантовые эффекты, лежащие в основе действия лазеров, туннельных диодов и сверхпроводящих устройств. Есть даже намёки на мегакванто-вые эффекты, управляющие эволюцией нейтронных звёзд. Однако эффекты усиления квантовых явлений в макроскопическую суперпозицию котов, пусть и ведущих свой род от кошки великого Шрёдингера, науке не известны!» [31, с. 122].
- Мыслительный эксперимент -
УСТРАНЕНИЕ КВАНТОВОГО АБСУРДА
Чтобы вникнуть в различие между квантовым байесианизмом и стандартной интерпретацией квантовой механики, рассмотрим хорошо известный пример шре-дингеровсой кошки. В стандартном пересказе кошка и ампула с ядом закрыты в герметической коробке. Квантовое событие, которое происходит с вероятностью 50%, разбивает (или не разбивает) ампулу и убивает (или не убивает) кошку. Но до того как наблюдатель заглянет в коробку, волновая функция, описывающая систему, представляет собой суперпозицию состояний кошки «живая» и «мертвая», а значит, и кошка одновременно и жива, и мертва. Наблюдение же мгновенно переводит кошку в одно из этих двух состояний. В кьюбизме, в противоположность этому, волновая функция — это просто описание состояния разума наблюдателя. Суперпозиция применима к этому состоянию и ни к чему более. Кошка либо жива, либо мертва; наблюдатель только выясняет, что именно случилось на самом деле.
Стандартная интерпретация: волновая функция предполагает, что кошка и жива и мертва одновременно
Рис. 7. Отсутствие парадокса в «кошачьей» проблеме, согласно кьюбизму
Дискуссия о законченности квантовой теории и полноте описания микросистем продолжается и в настоящее время. В ней участвуют два известных теоретика: Р. Пенроуз в роли Эйнштейна и С. Хокинг в роли Бора [31].
JÜ Айв
Квантовый
байесианизм:
к волновая функ-
ция описывает
лишь состояние
разума; кошка
либо мертва,
либо жива
27 В результате развития квантовой механики «...были либо созданы, либо пересмотрены статистическая механика, физика частиц, химия, космология, молекулярная биология, эволюционная биология и геология (в том, что касается радиоактивной датировки). Многие удобства современного мира, например, компьютеры, DVD-проигрыватели и цифровые фотоаппараты были бы невозможны без транзисторов и современной электроники, развитие которых основано на квантовых явлениях» [30, с. 105].
Разработка основных методов и математического аппарата квантовой механики, закончившаяся в конце 1920-х годов, дала учёным-физикам мощный инструмент для исследования атомных объектов [17]. «Бредовая» теория объясняла «новый тип поведения» электронов в веществе [2]. Наконец-то стало ясно, что химические явления описываются электрическим взаимодействием электронов и атомных ядер. Совершенно новый подход, использующий понятия волновых функций и вероятностей, дал возможность не только описать внутреннюю динамику атома28, но и вполне достоверно предсказать его свойства, а также свойства атомов, объединённых в молекулы [1].
Раскрытие множества секретов атома и появление почти полной его теории привели к изменению модели атома Бора29. Принципы, лежащие в основе теории великого учёного, были пересмотрены, «...но мы до сих пор используем некоторые элементы её языка и методы вычислений» [4, с. 121]. В боровской модели атома была нестыковка с квантовой механикой в отношении электронных траекторий, поскольку, согласно принципу неопределённости [12], понятие траектории частицы в микромире квантовых объектов лишено всякого смысла. Неизбежно встал вопрос о том, какой новый физический образ может заменить классические «планетарные» орбиты электронов30. Несомненным было одно - «...новая модель атома, так или иначе, должна основываться на принципе распределения вероятностей нахождения электрона в атоме... Ну а как же само понятие электронной орбиты?» [17, с. 46]. В результате решения уравнения Шрёдингера получают так называемые атомные орбитали31. В таком названии выражен намёк на планетарный электрон на орбите, но без строгого смысла этой классической концепции, здесь неприменимой [11].
В то же время классическая концепция и квантовая не противоречат друг другу. Они должны, согласно
Рис. 8. Динамика электрона (зелёный цвет) в молекуле водорода при фотоионизации с помощью аттосекундного лазерного импульса (смоделированное изображение)
Рис. 9. Аттосекундный лазер позволил впервые запечатлеть прыжки электронов через запрещённую зону [36]
28 Особенно интенсивные исследования внутренней динамики атома происходили в последние два десятилетия благодаря высокотехнологичным изобретениям, например, аттосекундным (10-18 с) лазерам, позволившим подступиться к невероятно быстрому миру электронов (в атоме водорода электрон совершает оборот вокруг ядра всего за 24 ас со скоростью 2200 км/с). Появление лазеров, генерирующих чрезвычайно короткие импульсы, помогает выделять отдельные электроны внутри атомов и молекул, а также фотографировать их перемещение [33]. В 2008 году с помощью особой технологии учёным впервые удалось снять электрон на киноплёнку. Исследователи так описывали увиденное в этом видеоклипе, длящемся всего несколько секунд: «Электрон "оседлал" световую волну и скачет на ней» [33, с. 77]. Аттосекундные лазеры помогут учёным в скором времени решать также проблемы в химии и биологии, которые до сих пор были слишком трудны. Такая надежда появилась, когда международная группа исследователей впервые использовала аттосекундные лазерные импульсы для отслеживания электронов в молекулах (рис. 8) [34]. В отличие от фемтосекундных (10"15 с) импульсов, которые фиксируют только статическое положение атомов и молекул, аттосекундные могут распознать расположение электронов на орбиталях атома. С помощью таких импульсов европейским физикам удалось заглянуть в молекулу и увидеть движение электронов. Это поможет глубже понять процессы, происходящие во время химических реакций (http://globalscience.ru/article/read). Проведён уникальный эксперимент по съёмке процесса перехода электронов в кристалле в возбуждённое состояние и постоянное движение этих частиц в проводнике. В этом процессе использовался аттосекундный лазер, способный испускать импульсы рентгеновского излучения длительностью всего в несколько миллиардных долей миллиардной доли секунды. Таким образом, локализированные когда-то электроны совершают «квантовый скачок» в зону проводимости, туннелируя через барьер, который удерживает частицы внутри атомной оболочки (рис. 9) [35]. Целью исследований было проследить за выходом электрона из атомной оболочки и его дальнейшим передвижением, а также за сменой его энергетического состояния. Движение электронов в проводнике является самым важным процессом в современной электронике [35].
29 Рассуждая в 1922 г. о будущем своей ранней теории строения атома, Бор заметил: «...в математике существует ограниченное число форм, которые нам удаётся использовать для описания природы, и может так случиться, что кто-нибудь обнаружит правильные формы, исходя из совершенно неверных представлений» [4, с. 121]. Бор оказался совершенно прав.
30 Отметим, что в вопросе видоизменения понятия электронной орбиты согласия среди физиков нет уже почти столетие [31].
31 Для атома водорода, например, обычно приводятся «электронные облака»: это сферические s-облака ^-орбитали), ганте-леобразные р-облака (р-орбитали) и т. д. (http://www.hemi.nsu.ru/ucheb127b.htm). Самое главное - на облаках корпускулярных орбит
41
Ф %
Рис. 10. Распределение плотности вероятности для электрона в атоме водорода, находящемся в различных состояниях.
Они представляют собой поперечные сечения плотности вероятности, величина которой отражена цветом (чёрный цвет - минимальная
вероятность, белый - максимальная). В каждой колонке обозначено квантовое число углового момента I с использованием обычных спектроскопических обозначений ^ означает I = 0; р -1 = 1; d -1 = 2). Справа от каждого ряда отмечено главное квантовое число п (1, 2, 3...) [36, 37]
принципу соответствия32, плавно переходить одна в другую по мере увеличения масштабов системы. Группе физиков из разных стран удалось продемонстрировать адекватность планетарной модели атома водорода для гигантских атомов калия (размером в миллиметр), искусственно увеличенных с помощью электромагнитных импульсов в лаборатории (рис. 12). Управляя движением электронов в атоме калия при помощи
Рис. 11. Изображение усреднённой электронной оболочки атома водорода [38] (фото: prl.aps.org)
Л
(с) «1)
•5 <*
Рис. 12. Квантовые эффекты в достаточно большой системе атомной физики могут стать вполне классическими, т. е. электроны оказываются локализованными на определённых орбитах [39]
укладывается строго целое количество электронных волн де Бройля. Так, минимальная энергия ближайшей к атому орбиты соответствует одной волне, следующая и более высокая - двум, и т. д. [12, 17]. На рисунке 10 изображены несколько первых орбиталей атома водорода в различных квантовых состояниях.
Используя фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода - устройство, которое позволяет заглянуть в область квантовой физики, - учёные впервые получили изображение орбитальной структуры атома водорода, фактически - его волновую функцию (рис. 11) [38]. Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, т. е. в отрывании от них электрона за счёт электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причём положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы, и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз. Так как попадание одного электрона даёт всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усреднённое изображение электронной оболочки. Распределение электронной плотности полностью совпадает с результатами теоретических расчётов (https://lenta.ru/ пе\да/2013/05/27/аЬт/).
32 Принцип соответствия - утверждение, согласно которому новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай [9]. В квантовой механике принцип соответствия - утверждение о том, что поведение квантово-механической системы стремится к классическому в пределе больших квантовых чисел. Этот принцип ввёл Н. Бор в 1923 г. Условия, при которых классическая механика и квантовая совпадают, называются классическим пределом (https://ru.wikipedia.org/wiki/Принцип_соответствия).
лазерных импульсов, учёные смогли перевести атомы в необыкновенно возбуждённое состояние. «Движение электронов на внешних орбитах при этом становится практически классическим и достаточно хорошо описывается постулатами Бора... а их поведение, соответственно, во многом напоминает поведение классических частиц» [39] (см. рис. 12). Таким образом, на некотором уровне макроскопичности квантовая система приближается к классической.
Начинает подчиняться классическим законам также и «большая компания частиц», отказываясь «вести себя» по законам квантовой механики и создавая этим трудности в создании квантового компьютера, достаточно большого, чтобы его можно было использовать в практических целях [40].
Учёные продолжают попытки понять, насколько большим и сложным должно быть нечто, чтобы оно сохраняло проявление квантовых свойств. Установлено, что квантовые эффекты, как правило, становятся менее очевидными и менее устойчивыми, чем больше объект33. И всё же физики-экспериментаторы могли наблюдать волновые свойства у всё более крупных «частиц», например, атомов и даже у некоторых специальных видов молекул [12, 41].
Со временем выяснилось, что существование разного рода странностей, парадоксов и ограничений, связанных с квантово-механическими свойствами объектов (суперпозиция, перепутывание и др.), является не ограничительным фактором, а зачастую дополнительным ресурсом. «Пользуясь ими, изобретатели создали множество разных удивительных приборов, таких как лазеры и полупроводниковые интегральные схемы. Далее началось использование квантовых явлений в вычислительных системах, которые недоступны пониманию с классической точки зрения» [43, с. 76].
На основе «мистического явления» квантовой запутанности будут функционировать квантовые компью-
теры и коммуникации будущего. Одна из главных проблем квантовых технологий [12] - как реализовать квантовую память. В начале 2000-х годов за рубежом было сделано сенсационное открытие «замороженного» света. В настоящее время по той же схеме группа А. Львовского проводит эксперименты со сжатым светом. В этом направлении уже достигнуты некоторые интересные результаты. После решения задачи объединения этих достижений в одном эксперименте будет идти речь об их применении в практических задачах реализации квантовой памяти [44].
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАН и парижского Института оптики придумали метод создания особого состояния квантовой запутанности, которое позволяет получить сверхточную линейку, способную измерять расстояние в сотни километров с точностью до миллиардных долей метра [45].
Пути для разработки новых электронных устройств в квантовых компьютерах и нового поколения сверхпроводников открываются теоретическими исследованиями квантового конденсированного состояния (сверхпроводники, суперфлюиды34 и тонкие магнитные плёнки), которое проявляется при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю. Эти исследования удостоены Нобелевской премии в 2016 г [46].
Сегодня квантовые технологии становятся определяющим фактором технологического развития общества в будущем. И даже такие относительно простые технологии, как квантовые симуляторы35, квантовые точки36, квантовые датчики, абсолютно защищённые квантовые коммуникации, которые могут появиться по пути к созданию квантового компьютера, имеют значительный потенциал практического применения [44].
Таким образом, «проблемы физики очень малого и очень большого трудны, но, быть может, именно здесь проходит граница. которая окажется наиболее
33 Конечно, мы не увидим, как какое-нибудь животное, например, гиппопотам в зоопарке, подобно волне, пройдёт сквозь железные прутья клетки [41]. Однако в квантовой механике, согласно лозунгу Гелл-Мана (позаимствован из книги Т. Уайта «Король былого и грядущего»), «Всё, что не запрещено, - обязательно» [цит. по 42, с. 124]. События, которые просто не могут случиться по законам классической физики, по квантовой теории возможны. Странность, парадоксальность и причудливость квантовой теории не исключают вероятности того, что атомы тела нашего гиппопотама вдруг разбегутся и соберутся по другую сторону металлической клетки, в которой он содержится. Но ждать такого события пришлось бы до конца жизни Вселенной и даже дольше. Подобная теле-портация запрещена в классической физике, но никак не противоречит законам квантовой механики [1]. «Если бы вы при помощи компьютера построили график шрёдингеровской волновой функции для собственного тела, то выяснилось бы, что она очень сильно напоминает само тело, но выглядит как бы чуть-чуть лохматой, так как некоторые из ваших волн расползаются за его пределы во всех направлениях. Некоторые из них достигают даже отдалённых звёзд. Поэтому существует всё же крошечная вероятность того, что однажды вы вдруг проснётесь на далёкой чужой планете» [1, с. 97].
34 Первым учёным, который систематически изучал (в 1930-х годах) суперфлюиды при сверхнизких температурах, был советский физик Пётр Леонидович Капица (1894 - 1984 гг.) - один из основателей физики низких температур и физики сильных магнитных полей. За открытие явления сверхтекучести жидкого гелия он получил Нобелевскую премию в 1978 г. [9].
35 Квантовые симуляторы - это системы, очень похожие на те, которые необходимо рассчитать. Однако мы не можем это сделать из-за их сложности. Поэтому моделируется более простая система, которую можно рассчитать и контролировать её параметры, в качестве которых выступают параметры неизвестной системы. В квантовой механике остаётся множество нерешённых задач, например, в материаловедении, высокотемпературной сверхпроводимости, фазовых переходах в магнитах и др. И в настоящее время учёные активно симулируют, например, формирование фазовых переходов в сверхпроводниках, магнитов и других процессов (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/10632).
36 Термин «квантовые точки» был введён в 1988 г. Тогда же они были получены методом литографии [47]. Квантовые точки -микроскопические кристаллы полупроводников (кремний, селенид кадмия, сульфит кадмия и др.), проявляющие квантовые эффекты. Они имеют размер 5 - 10 атомов (2 - 10 нанометров) и ведут себя подобно атомам. Поэтому их иногда называют «искусственными атомами» [37]. Квантовые точки размещаются зачастую в субстрате или на активной поверхности (рис. 13). Они интересны для ряда технологий (например, телевизоры, а также планшеты и ноутбуки с мониторами на квантовых точках) [47].
Рис. 13. «Фотография германиевой квантовой точки на подложке из кремния, полученная при помощи электронного сканирующего микроскопа» [47, с. 39; 48]
многообещающим достоянием Новой Физики»37 [цит. по 10, с. 112]. Один из крупнейших математиков и физиков-теоретиков нашего времени Роджер Пенроуз считает, что «...нынешняя квантовая механика - это всего лишь приближение к чему-то лучшему.» [29, с. 657].
Продолжение следует
Список литературы
1. Каку, М. Физика невозможного / М. Каку; пер с англ. - 3-е изд. - М.: Альпина нон фикшн, 2011. - 456 с.
2. Фейнман, Р. КЭД - странная теория света и вещества / Р. Фейнман ; [пер. с англ.]. - М. : Астрель, Полиграфиздат, 2012. - 191 с.
3. Смородинский, Я. А. К читателю (Предисловие ко второму русскому изданию) / Я. А. Смородинский // Р. Фейнман. Характер физических законов ; [пер. с англ.]. - 2-е изд. (испр.). - М. : Наука. - 1987. - 156 с.
4. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории / С. Вайнберг; [пер. с англ. А. В. Беркова]. - М. : Едито-риал УРСС, 2004. - 256 с.
5. Каку, М. Параллельные миры : Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса / М. Каку; [пер с англ. М. Кузнецовой]. - М. : ООО Издательство «София», 2008. - 416 с.
6. Фейнман, Р. Характер физических законов / Р. Фейнман ; [пер. с англ.]. - М. : Астрель, 2012. -252 с.
7. Главная тема. Предисловие // Знание - сила. -2013. - № 3. - С. 18.
8. https://Ienta.ru/articIes/2013/01/21/quantum/.
9. Новый энциклопедический словарь. - М. : Большая Российская энциклопедия РИПОЛ классик, 2005. -1456 с.
10. Пригожин, И. Время, хаос, квант. К решению парадокса времени / И. Пригожин, И. Стенгерс ; [пер. с англ.] ; изд. 5-е, исправл. - М. : Едиториал УРРС, 2003. - 240. - (Серия «Синергетика от прошлого к будущему»).
11. Эткинз, П. Десять великих идей науки. Как устроен наш мир / П. Эткинз ; [пер с англ. В. Герци-ка]. - М. : АСТ, Астрель, 2008. - 384 с.
12. Турбина, М. И. Страсти по бозону Хиггса. Часть 1. Как устроен мир (Продолжение) / М. И. Турбина // Наука и техника в Якутии. - 2016. - № 2 (31). -С. 105-113.
13. http://www.modcos.com/articIes.php?id=76.
14. Гоин, Б. Ткань космоса: пространство, время и текстура реальности / Б. Грин; [пер с англ.]; [под ред.
B. О. Малышенко и А. Д. Панова]. - 3-е изд., испр. - М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. - 608 с.
15. Лебедев, Ю. Неоднозначное мироздание / Ю. Лебедев, А. Гуларян // Знание - сила. - 2013. -№ 3. - С. 38-45.
16. http://samIib.rU/g/guIarjan_a_b/everett3.shtmI.
17. Фейгин, О. Тайны квантового мира : о парадоксальности пространства и времени / О. Фейгин. - М. : АСТ-Пресс книга, 2010. - 288 с., 32 с. ил. - (Серия «Наука и мир»).
18. Полищук, Р. Ф. Концепция множественности миров Михаила Менского / Р. Полищук // Метафизика. - 2016. - № 2 (16) - С. 113-122.
19. http://zarubegom.com/vy-dayushhiesya-Iichnosti-russkogo-kaIgari-aIeksandr-I-vovskij-odin-samy-h-izvestny-h-v-mire-ucheny-h-v.
20. Львовский, А. На языке запутанного света. «Квантовая магия» стала ресурсом новых технологий / А. Львовский // Наука и жизнь. - 2016. - № 2 -
C. 44-53.
21. http://fago.ru/Exact_Science/fs_te_124.htmI.
22. Фон Бейер, Г. Х. Квантовая странность? Это всё у вас в голове! / Г. Х. фон Бейер // В мире науки. -2013. - № 12. - С. 80-86.
23. Данин, Д. Неизбежность странного мира / Д. Данин. - М.: Молодая гвардия, 1962. - 368 с. + 12 вкл.
24. Эйнштейн, А. Физика и реальность : сборник статей / А. Эйнштейн ; [составитель У. И. Франкфурт ; отв. ред. Б. Г. Кузнецов]. - М. : Наука, 1965. -360 с.
25. Малдасена, Х. Чёрные дыры, кротовые норы и секреты квантового пространства-времени / Х. Мал-дасена // В мире науки. - 2017. - № 1/2. - С. 82-89.
26. Юров, А. О машине времени с точки зрения физики (извлечение из лекций) / А. Юров // Знание -сила. - 2013. - № 3. - С. 36-37.
37 Продолжая уточнять картину мира, физики ведут поиск явлений, которые не описываются Стандартной моделью и могут быть объяснены в рамках так называемой Новой физики. Углубление знаний о микромире возможно только на основе сложных экспериментов с использованием всё более мощных и точных установок. В настоящее время такие установки создаются и в нашей стране, и за рубежом [49].
27. http://elementy.ru/novosti_nauki/430800/Provedeny_ novye_eksperimenty_po_proverke_mekhanizma_kvantovoy_ zaputannosti).
28. Эйнштейн, А. Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным? / А. Эйнштейн, Б. Подольский, Н. Розен // УФН, 1936. - Т. XVI, вып. 4. - С. 440-446.
29 Пенроуз, Р. Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной : полный путеводитель / Р. Пенроуз ; [пер. с англ]. - М. : Ижевск : Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. - 912 с.
30. Рэндалл, Л. Закрученные пассажи : проникая в тайны скрытых размерностей пространства / Л. Рэндалл ; [пер. с англ.]; [науч. ред. И. П. Волобуев]. - М. : УРСС. Книжный дом «Либроком», 2011. - 400 с.
31. Фейгин, О. Парадоксы квантового мира / О. Фейгин. - Эксмо, 2012. - 288 с. : ил. - (Серия «Тайны мироздания»).
32. Ллойд, С. Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки / С. Ллойд ; [пер. с англ.]. - М. : Альпина нон-фикшн, 2014. - 130 с.
33. Волков, А. Из жизни электронов / А. Волков // Знание - сила. - 2015. - № 2. - С. 75-83.
34. https://mipt.ru/dppe/science_articles/a_4phgkx.php/.
35. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2014/lazer-pozvolil-vpervye-zapechatlet-pryzhki-elektronov-cherez-zapreshchennuyu-zonu.
36.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ cf/HAtomOrbitals.png.
37. Клегг, Б. Квантовая теория /Б. Клегг; [пер с англ. О. И. Перфильева]. - М.: РИПОЛ классик, 2015. - 160 с.
38. http://spacegid.com/pervoe-izobrazhenie-orbitalnoy-strukturyi-atoma-vodoroda.html.
39. http://www.vokrugsveta.ru/news/4275/.
40. Лукин М. Квантовые связи / М. Лукин, К. Монро, Р. Шелькопф // В мире науки. - 2016. - № 7. - С. 28-37.
41. Хокинг, С. Высший замысел / С. Хокинг, Л. Мло-динов ; [пер с агл. М. Кононова, под ред. Г. Бурбы]. -СПб. : Амфора. ТИД Амфора, 2012. - 208 с.
42. Сасскинд, Л. Битва при чёрной дыре. Моё сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики / Л. Сасскинд ; [пер. с англ.]. -СПб. : Питер, 2013. - 448 с.
43. Дойч, Д. За квантовым горизонтом / Д. Дойч, А. Экерт //В мире науки. - 2012. - № 11. - С. 74-81.
44. http://miptic.ru/index/news/n_5894je/html.
45. http://www.nat-geo.ru/science/873931-rossiyskie-fшki-sozdali-sverkhtochnuyu-kvantovuyu-lineyku/.
46. http://scientificrussia.ru/articles/nobelevskaya-premiya-po-fizike-2016.
47. Понятов, А. Квантовые точки прогресса / А. Понятов //Наука и жизнь. - 2016. - № 6. - С. 38-45.
48. Лепов, В. В. Электронная зондовая микроскопия - инструмент нанодиагностики / В. В. Лепов, Б. А. Логинов //Наука и техника в Якутии. - 2010. -№ 1 (18). - С. 24-29.
49. Понятов, А. Детектор асимметрии будет искать Новую физику / А. Понятов // Наука и жизнь. -2017. - № 5. - С. 4-7.
тът т&сиш
Иванов, Климент Егорович. Эпизоды славной эпопеи алмазной промышленности России / Климент Иванов. - Якутск : Э. Т. Пономарев, 2017. - 72 с.
В брошюре автор освещает ключевые эпизоды организации и развития в Якутии алмазодобывающей промышленности, размышляет над вкладом местного населения на всех этапах освоения алмазоносных месторождений Якутии.
