Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 45)
Никто не понимает, почему и как этот эффект работает, и это привело к некоторым интригующим, хоть и бесполезным, размышлениям. Если бы во всей пустой Вселенной была только одна частица, она не обладала бы инерцией, поскольку не было бы ничего, относительно чего можно было бы измерить ее движение или сопротивление движению. Но если бы в такой вселенной было только две частицы, обладали бы они той же инерцией, которую они имеют в нашей Вселенной? Если бы можно было волшебным образом убрать половину материи из нашей Вселенной, обладало бы оставшееся той же инерцией или половиной от нее? (Или в два раза большей?) Эта загадка сегодня настолько же велика, как и триста лет назад, однако, возможно, смерть локальных реалистических взглядов на мир дает нам зацепку. Если все, что взаимодействовало друг с другом во время Большого взрыва, до сих пор остается взаимосвязанным, то каждая частица каждой звезды и галактики, которую мы видим, «знает» о существовании каждой другой частицы. Инерция превращается не в задачу для космологов и релятивистов, а оказывается прочно завязанной с квантовой механикой.
Кажется ли это парадоксальным? Ричард Фейнман сжато описал эту ситуацию в своих «Лекциях»: «Этот „парадокс" - лишь конфликт между реальностью и вашим ощущением, какой „должна быть" реальность». Не кажется ли это бессмысленным, как и спор о количестве ангелов, которые могут разместиться на кончике иглы? Уже в 1983 году, всего через несколько недель после публикации результатов команды Аспе, ученые из университета Сассекса в Англии объявили о результатах экспериментов, которые не только дают независимое подтверждение взаимосвязи всего на квантовом уровне, но также предлагают обзор практических применений, включая новое поколение компьютеров, настолько же превосходящих современную полупроводниковую технологию, как транзисторный приемник превосходит сигнализацию флажками.
Подтверждение и практическое применение
Команда из Сассека во главе с Терри Кларком подошла к проблеме проведения измерения квантовой реальности с другой стороны. Вместо того чтобы пытаться проводить эксперименты в масштабах обычных квантовых частиц - атомов или меньше, - они попытались создать «квантовые частицы», которые лучше подходят по размеру для обычных измерительных устройств. Их техника основывается на явлении сверхпроводимости и использует кольцо из сверхпроводящего материала около полусантиметра в диаметре, в одном месте которого сформировано сужение, где кольцо сужается всего лишь до одной десятимиллионной квадратного сантиметра в поперечном сечении. Это «слабая связка», изобретенная Брайаном Джозефсоном, разработавшим контакт Джозефсона, заставляет сверхпроводящее кольцо вести себя подобно открытому цилиндру - как труба органа или жестяная банка с вырезанными дном и верхом. Волны Шрёдингера, описывающие сверхпроводящие электроны в кольце, ведут себя, как стоячие звуковые волны в органной трубе, и могут быть «настроены» посредством изменяющегося электромагнитного поля на радиочастотах. В результате волна электронов, опоясывающая целое кольцо, имитирует единичную квантовую частицу, и с помощью чувствительного радиочастотного детектора команда ученых смогла наблюдать эффекты квантового перехода электронной волны в кольце. С практической точки зрения это похоже на единичную квантовую частицу диаметром полсантиметра, с которой можно работать, - это подобно примеру маленького ведерка с сверхтекучим гелием, о котором упоминалось ранее, но при этом еще более радикально.
Этот эксперимент позволяет проводить прямые измерения единичных квантовых переходов, а также дает дополнительные четкие свидетельства нелокальности. Поскольку электроны в сверхпроводнике ведут себя, как один бозон, волна Шрёдингера, создающая квантовые переходы, распространяется на все кольцо. Весь этот псевдобозон в один момент претерпевает квантовый переход. Не наблюдается того, что одна сторона кольца первой совершает переход, а другая сторона приступает к нему лишь тогда, когда передаваемый на скорости света сигнал получает достаточно времени, чтобы обогнуть кольцо и повлиять на оставшуюся часть «частицы». В некотором роде этот эксперимент дает даже более веские результаты, чем проверка неравенства Белла, проведенная Аспе. Этот эксперимент покоится на аргументах, которые хоть и являются математически недвусмысленными, не так-то просты для понимания далекого от науки человека. Гораздо проще разобраться с концепцией единственной «частицы» с диаметром полсантиметра, которая ведет себя как одиночная квантовая частица и которая всей своей сущностью моментально реагирует на любое возбуждение, получаемое извне.
Такие исследователи ставят перед собой и более сложные цели. Они надеются создать крупный «макроатом», возможно в форме прямого цилиндра длиной шесть метров. Если это устройство будет отвечать на внешнюю симуляцию так, как ожидается, то вполне вероятно, что в двери, ведущей к коммуникации на скорости, превосходящей скорость света, появится узкая щель. Детектор на одном конце цилиндра, измеряющий его квантовое состояние, будет мгновенно фиксировать изменение квантового состояния, запущенное возбуждением на другом конце цилиндра. В этом нет особенной пользы для обычной передачи сигналов, ведь невозможно построить макроатом размерами, скажем, от Земли до Луны, разрешив тем самым жуткую проблему с задержкой передачи сообщений от исследователей Луны в центр контроля полетов на Земле. Но этому есть прямое, практическое применение.
Одним из главных факторов, ограничивающих производительность самых современных компьютеров, является скорость, с которой электроны могут перемещаться по схеме от одного компонента к другому. Задержки невелики - в диапазоне наносекунды, - но очень важны. Сассекские эксперименты никак не приблизили перспективу мгновенной передачи информации на дальние расстояния, но перспектива разработки компьютеров, в которых все компоненты мгновенно реагируют на изменение состояния одного компонента, стала казаться реальной. Именно эта перспектива подвигла Терри Кларка сделать заявление о том, что «когда эти законы будут переведены на язык схем, и так восхитительная
электроника XX века в сравнении с новыми приборами будет казаться семафором»64.
Итак, не только Копенгагенская интерпретация полностью оправдана экспериментами для всех практических применений: похоже, грядет такое развитие, которое превзойдет все, что квантовая механика уже дала нам, ведь оно выходит за границы классических устройств. В интеллектуальном плане Копенгагенская интерпретация неудовлетворительна. Что происходит с призрачными квантовыми мирами, которые исчезают в момент редукции их волновых функций, когда мы производим измерения субатомной системы? Как может параллельная реальность, ничуть не более и не менее реальная, чем та, которую мы в итоге измеряем, просто исчезать после проведения измерений? Лучший ответ состоит в том, что альтернативные реальности не исчезают и что на самом деле кот Шрёдингера и жив, и мертв одновременно, но в двух или более различных мирах. Копенгагенская интерпретация и ее практические применения полностью входят в более сложное представление о реальности, в многомировую интерпретацию.
Глава одиннадцатая Множество миров
До настоящего момента в этой книге я старался не вставать ни на одну из сторон и показывать все аспекты истории кванта, позволив ей говорить самой за себя. Теперь пришло время высказать свое мнение. В этой последней главе я забуду обо всех претензиях на беспристрастность и представлю ту интерпретацию квантовой механики, которую сам нахожу наиболее удобной и полной. Большинство физиков со мной не согласятся, ведь те, кто вообще задумывается об этих вещах, вполне довольны редукцией волновых функций в Копенгагенской интерпретации. Но это признанная позиция меньшинства, преимуществом которой является то, что в нее входит и Копенгагенская интерпретация. Неудобное свойство,
В
которое не позволило этой улучшенной интерпретации решительно завоевать мир физики, заключается в том, что она предполагает наличие многих других миров - возможно, их бесконечного числа, - существующих в некотором роде отдельно от нашей реальности во времени, параллельно нашей Вселенной, но без связи с ней.
Кто наблюдает за наблюдателями?
Многомировая интерпретация квантовой механики берет свое начало в работе Хью Эверетта - выпускника Принстонского университета 1950-х годов. Он размышлял над странным требованием Копенгагенской интерпретации, в соответствии с которым волновые функции должны были магическим образом редуцироваться при наблюдении, и обсуждал альтернативные версии со многими, включая Джона Уилера, вдохновившего Эверетта разработать другой вариант интерпретации и описать его в своей докторской. Этот альтернативный взгляд на вещи отталкивается от очень простого вопроса - от логической кульминации рассмотрения последовательной редукции волновых функций, происходящей, когда я провожу эксперимент за закрытыми дверями, затем выхожу и сообщаю вам результат, о котором вы рассказываете своему другу в Нью-Йорке, после чего он информирует еще кого-нибудь и так далее. С каждым шагом волновая функция становится все более сложной и вбирает в себя все больше «реального мира». Но при этом на каждом шаге альтернативы остаются в равной степени возможными, представляя собой накладывающиеся друг на друга реальности, пока не становятся известными новости о результате эксперимента. Можно представить, как новости таким образом распространяются по всей Вселенной, пока вся Вселенная не становится совокупностью перекрывающих друг друга волновых функций, альтернативных реальностей, которые редуцируются до одного мира только тогда, когда установлено наблюдение. Но кто наблюдает за Вселенной?