М.Г. Иванов - Как понимать квантовую физику (1129349), страница 53
Текст из файла (страница 53)
[Codexки зрения понимания теории и её философии,Vindobonensis, 1250 г. W]но в последние годы они становятся важными и с точки зрения практической физики. Физики учатся изучать мезоскопические системы на границе микро- и макромира. Создание хорошо11 Гринштейн Дж., Зайонц А., Квантовый вызов. Современные исследования основанийквантовой механики. — Долгопрудный: Интеллект, 2008.
— Глава 4 «Принцип дополнительности».9.3. И НТЕРПРЕТАЦИИКВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф )283изолированных квантовых систем из нескольких тысяч частиц обещает создание квантовых компьютеров. Будут ли квантовые компьютеры работать,или их теория представляет собой выход за границы применимости квантовой механики?Также вопрос о границах применимости квантовой теории ставит перед нами квантовая статистическая физика.
Как старая, так и новая копенгагенская интерпретация формально не позволяют применять квантовуютеорию в статистической физике. Старая копенгагенская интерпретация отказывается работать с макросистемами, а новая копенгагенская интерпретация отказывается работать с незамкнутыми системами.Другой постулат копенгагенской интерпретации о необходимости выделения наблюдателя также ставится под сомнение. В данном случае этадискуссия по-прежнему далека от практики, но постепенно приобретаетвсё большую важность в фундаментальной науке. Со времён Бора космология, строящаяся на основе общей теории относительности (ОТО), а также её обобщениях, постепенно всё в большей степени становилась наукой.В настоящее время космология умеет неплохо описывать нашу Вселенную,и её модели с удовлетворительной степенью точности согласуются с наблюдательными данными.
И здесь вопрос о том, можно ли писать волновуюфункцию Вселенной и нужен ли при этом наблюдатель (кто?! См. рис. 9.11),становится актуальным.Проблема усугубляется тем, что до сих пор не существует общепринятой последовательной квантовой теории гравитации12 . Многие физикиприходят к мысли, что создание последовательной квантовой теории гравитации потребует не менее радикального пересмотра наших физическихконцепций, чем создание квантовой механики или ОТО.Некоторые эффекты ОТО, такие как поглощение частицы чёрной дырой, являются необратимыми.
Это наводит некоторых учёных на мысль,что необратимость ОТО и необратимость измерения в квантовой теориисвязаны друг с другом. Если это действительно так, то есть надежда в рамках квантовой теории гравитации включить процесс измерения в теориюне в виде отдельного постулата, а как естественное следствие основныхуравнений.Другой взгляд на необходимость наблюдателя в квантовой механикепредлагает интерпретация Эверетта (см. раздел 9.3.7).12 Хотя есть ряд кандидатов на роль квантовой теории гравитации, в число которыхвходят теории струн, супергравитация, М-теория, петлевая гравитация и др.
Также существуют непоследовательные квантовые теории гравитации, которые в некоторых условияхпозволяют предсказывать физические эффекты, но не являются самосогласованными теориями.284ГЛАВА 99.3.6. «Абстрактное Я» фон Неймана (фф)ФОПФ так и не смогли окончить лорд Кельвин,Иоганн фон Нейман, Отто фон Герике и Гербертфон Караян, о чём постоянно жалеетФ. Ф. Каменец.Проспект Факультета общей и прикладнойфизики, МФТИ. 1992Как уже упоминалось выше в разделе 8.2 «Моделирование измерительного прибора*», граница между наблюдателем и измеряемой системой может проводиться по-разному.Выше мы также двигали эту границу, рассматривая Кота Шрёдингера и Друга Вигнера.И если мы выше расширяли систему, тоРис.
9.12. «Абстрактное Я»фон Неймана по версии прос- Иоганн фон Нейман13 сужал наблюдателя.пекта ФОПФ (1992).В систему могут включаться или не включаться прибор, стрелка прибора, глаз наблюдателя,часть мозга наблюдателя, занимающаяся обработкой зрительного сигнала . . . Соответственно? сам акт наблюдения производят: человеки прибор, сам человек (целиком), голова наблюдателя, мозг наблюдателя, отвечающая завысшую нервную деятельность кора головного мозга, и наконец, некоторое «абстрактноеЯ наблюдателя». «Абстрактное Я» при этомрассматривается как нечто, не имеющее матеРис.
9.13. Иоганн фон Нейриального носителя14 .ман (1903–1957) во время раС этой точки зрения «абстрактное Я»боты в Лос-Аламосе.представляет собой некий процесс, благодарякоторому человек знает, в каком состоянии находится его сознание. Другаявозможная трактовка: «абстрактное Я» тождественно некоторой объективной (не зависящей от наблюдателя) редукции волновой функции.Предположение (у фон Неймана неявное), что человек знает в какомсостоянии находится его сознание, представляется весьма шатким.
Ско13 Иоганнфон Нейман, Математические принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1964.что основной вывод, декларируемый фон Нейманом, состоял не во введении«абстрактного Я», а в существенной произвольности границы между системой и наблюдателем.14 Заметим,9.3. И НТЕРПРЕТАЦИИКВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф )285рее, следуя Бору, который предлагал применить принцип дополнительности к человеческому сознанию, можно ожидать, что рефлексия (осознание сознательной деятельности) препятствует сознательной деятельности.Сам Бор, вероятно, не связывал эту дополнительность с квантовыми эффектами, однако многие авторы полагают, что сознание может быть существенным образом квантовым, хотя и понимают эту квантовость оченьпо-разному.9.3.7. Многомировая интерпретация Эверетта (фф)Когда мы рассматривали Кота Шрёдингера, а потом Друга Вигнера, томы последовательно расширяли квантовую систему, включая в неё всё новых и новых наблюдателей: Датчик, Кота, Наблюдателя, Друга.
Каждый изэтих наблюдателей по мере распространения сигнала попадал в состояние,запутанное с тем, что на предыдущем этапе рассматривалось как квантовая система. Для того чтобы проследить судьбу наблюдателя, включённогов расширенную систему, мы вводили следующего наблюдателя, которыйосуществляет измерение над предыдущим, и т. д.Это наводит на мысль, что нет никакойнеобходимости плодить наблюдателей и дополнять унитарную эволюцию процедурой измерения. В конце концов после того, какочередной Наблюдатель попал в суперпозицию двух макроскопически различных состояний, каждое из этих состояний живёт своейжизнью, поскольку они столь различны, чтоих интерференцией (возможностью привестик микроскопически одинаковому итогу) можно пренебречь. Мы получаем как бы два параллельных Мира: в одном из них Кот жив,Рис.
9.14. Хью Эверетт IIIи все наблюдатели с этим согласны, а в другом 1964 г. (1930–1982).Кот мёртв, и все наблюдатели обнаруживают [http://space.mit.edu/]именно такой исход. Эти два Мира практически не влияют друг на друга.Мы можем придти к выводу, что квантовая механика не требует введения процедуры измерения. Унитарная эволюция квантового состояния даётнам суперпозицию состояний (параллельных Миров), отвечающих всемвозможным комбинациям исходов всех измерений.
Эти Миры ветвятся прикаждом измерении, но все они сосуществуют, описанные как компонентыодного состояния (волновой функции) Вселенной.286ГЛАВА 9Проекционный постулат, с помощью которого мы обычно описываемпроцедуру измерения, позволяет выделить из параллельных Миров один,который нами воспринимается.Наблюдатель воспринимает лишь один Мир (компоненту квантовойсуперпозиции) потому, что эти Миры макроскопически различны. Однако в параллельных Мирах могут быть аналоги этого же наблюдателя: если в одном Мире Наблюдатель, обнаружил, что спин электрона направленвверх и поставил в лабораторный журнал единичку, то в параллельном Мире точно такой же Наблюдатель обнаруживает, что спин направлен внизи ставит в журнал нолик.
Таким образом, Наблюдатели ветвятся вместес Мирами.Математически это ветвление описывается с помощью относительныхсостояний |ψφ0 (7.5.5 «Относительные состояния (ф*)»), которые задаютсостояние подсистемы при условии, что наблюдатель окажется в состоянии |φ0 . Разным параллельным Мирам соответствуют разные состояниянаблюдателя |φ0 , и разные относительные состояния окружающей вселенной |ψφ0 . В многомировой интерпретации все относительные состоянияв равной степени реальны и сосуществуют друг с другом.В многомировой интерпретации квантовой механики как в классикенет случайности, а есть только незнание.
Наблюдатель, который всерьёзпринял эту интерпретацию, уверен, что в том или ином из параллельныхМиров происходит всё, что может произойти (см. раздел 3.2 «Возможно всё,что может произойти (ф*)»), он только не знает попадёт ли он в тот самыйМир, в котором случится интересующее его событие, или это событие будетнаблюдать не он, а его иной вариант из параллельного Мира.Параллельные Миры расщепляются не сразу, а порой могут не только расщепляться, но и сливаться.
Так, если мы пустили фотон с помощьюполупрозрачного зеркала сразу по двум плечам интерферометра, то можно сказать, что Мир расщепился на два, в каждом из Миров фотон пошёлпо своему пути. Однако, если в конце интерферометра фотон будет сновасобран с помощью полупрозрачного зеркала в один волновой пакет, то нампридётся сказать, что параллельные Миры снова слились, или что они ещёне успели толком расщепиться. Ну а если после полупрозрачного зеркала стоят датчики, как в мысленном эксперименте с Котом Шрёдингера, тоМиры расходятся уже практически необратимо.Процесс разделения альтернатив описывается в исследованиях явлениядекогеренции (8.4 «Декогеренция (фф)») — зацепления состояний измерительного прибора и окружения, в результате которого для наблюдателя, неконтролирующего окружение полностью, различные альтернативы становятся как бы взаимоисключающими15 .15 Многиеавторы, исследующие процессы декогеренции, не согласны с многомировой ин-9.3.
И НТЕРПРЕТАЦИИКВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ( Ф )287Чем (не)удобна многомировая интерпретация (фф)Многомировая интерпретация выглядит весьма абсурдно. Бесконечноеколичество параллельных Миров вводится для того, чтобы отказаться отпроекционного постулата, который всё равно приходится применять длятого, чтобы делать предсказания результатов каких-либо экспериментов.Эта необходимость всё равно обращаться к проекционному постулатусводит существенные различия между традиционной квантовой теорией и многомировой интерпретацией на нет. Некоторые физики вообще неверят, что кто бы то ни было (включая самого Эверетта) всерьёз способенпринять такую глупость, как многомировая интерпретация.Тем не менее многомировая интерпретация в последние годы приобрела популярность среди ряда физиков, занимающихся основами квантовоймеханики и квантовой теорией информации.Многомировая интерпретация позволяет развить некоторую формуспецифически квантовой интуиции.
Обсуждавшийся ранее тезис «возможно всё, что может произойти» усиливается и превращается в «происходитвсё, что может произойти». Утверждение, что квантовые процессы происходят одновременно всеми возможными способами (в частности, что частица пролетает одновременно через оба отверстия в двухщелевом эксперименте), становится банальностью.Удобную метафору (метафору ли?) даёт многомировая интерпретацияи для квантового компьютера: квантовый компьютер выполняет параллельные вычисления одновременно во многих параллельных Мирах, благодарячему достигается выигрыш в производительности, однако в конце возникает проблема собирания результатов вычислений в одном Мире.Многомировой интерпретации придерживается один из создателейтеории квантовых вычислений Дэвид Дойч.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
