Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
| Вид материала | Документы |
- Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
- Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
- Название работы, 371.8kb.
- Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
- Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
- Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
- Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
- Романтика космоса, 1113.61kb.
- «Химия космоса», 282.27kb.
- Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.
(*)"Квантовая механика справедливо имеет репутацию чего-то гладкого и постепенного; однако, как мы явно увидим в последних главах, она обнаруживает турбулентный и дрожащий микрокосмос. Причиной этого дрожания является вероятностная природа волновой функции – даже если вещи могут существовать одним способом в один момент, имеется вероятность, что они будут существенно отличаться моментом позже, – а не всегда присутствующие дрожания, характеризующие саму волновую функцию."
Загадка квантового измерения
Но как проведение измерения экспериментатором принуждает волновую функцию к коллапсу? Фактически, когда реально происходит коллапс волновой функции, и если он происходит, что реально происходит на микроскопическом уровне? Вызывают ли коллапс любое и всякое измерения? Когда происходит коллапс и как долго это длится? Поскольку в соответствии с уравнением Шредингера волновая функция не коллапсирует, какое уравнение описывает второй этап квантовой эволюции и как новое уравнение свергает шредингеровское, узурпируя его обычную нерушимую власть над квантовыми процессами? И, что важно для нашего текущего отношения со стрелой времени, в то время, как уравнение Шредингера, уравнение, которое управляет первым этапом, не делает различий между прямым и обратным направлением во времени, вводит ли уравнение для второго этапа фундаментальную асимметрию между временем до и временем после того, как измерение произведено? То есть вводит ли квантовая механика, включая ее сопряжение с повседневным миром через измерения и наблюдения, стрелу времени в основные законы физики? Как никак, мы обсудили ранее, как квантовая трактовка прошлого отличается от трактовки прошлого в классической физике и что мы подразумевали под прошлым перед тем, как отдельные измерения и наблюдения имели место. Так, делая измерения, воплощенные во втором этапе коллапса волновой функции, устанавливаем ли мы асимметрию между прошлым и будущим, между до и после того, как измерение проведено?
Эти вопросы упорно сопротивляются полному решению и они остаются спорными. Тем не менее, после десятилетий, предсказательную мощь квантовой теории тяжело скомпроментировать. Формулировка квантовой теории в виде этапа один/этапа два, даже если этап два остается таинственным, предсказывает вероятности измерений одного результата за другим. И эти предсказания подтверждены повторением заданных экспериментов снова и снова и проверкой частоты, с которой тот или иной результат найден. Фантастический экспериментальный успех этого подхода намного перевешивает дискомфорт от отсутствия точного описания того, что на самом деле происходит на втором этапе.
Но дискомфорт всегда рядом. И он означает не просто, что некоторые детали коллапса волновой функции не вполне выяснены. Проблема квантового измерения, как она называется, является предметом спора, что говорит о пределах и универсальности квантовой механики. Это просто увидеть. Подход с этапом один/этапом два вводит раскол между тем, что наблюдается (электрон, или протон или атом, например) и экспериментатором, который наблюдает. Перед тем, как экспериментатор появляется на сцене, волновая функция счастливо и плавно эволюционирует в соответствии с уравнением Шредингера. Но тогда, когда экспериментатор вмешивается с вещами для проведения измерения, правила игры неожиданно меняются. Уравнение Шредингера отбрасывается в сторону и наступает коллапс из второго этапа. И еще, раз уж нет разницы между атомами, протонами и электронами, которые составляют экспериментатора и оборудование, которое он или она использует, и атомами, протонами и электронами, которые он или она изучает, так почему же имеется разрыв в том, как квантовая механика трактует их? Если квантовая механика является универсальной теорией, которая применима без ограничений к чему угодно, наблюдаемое и наблюдатель должны рассматриваться в точности одинаковым образом.
Нильс Бор был не согласен. Он утверждал, что экспериментаторы и их оборудование отличаются от элементарных частиц. Даже если они сделаны из одинаковых частиц, они являются "большими" собраниями элементарных частиц и, следовательно, управляются законами классической физики. Где-то между мельчайшим миром индивидуальных атомов и субатомных частиц и привычным миром людей и их оборудования правила меняются, поскольку меняются размеры. Мотивировка объявления этого разделения ясна: малые частицы в соответствии с квантовой механикой могут быть локализованы в размытой смеси тут и там, тогда как мы не видим подобного поведения в большом, повседневном мире. Но где точно находится граница? И, что жизненно важно, как два набора правил согласуются, когда большой повседневный мир сталкивается с очень маленьким миром атомов, как в случае измерения? Бор настойчиво декларировал, что эти вопросы находятся за теми пределами, для которых они предназначены, вернее говоря, что они находятся вне границ, в которых он или кто-либо еще может дать ответ. И поскольку даже без обращения к ним теория дает поразительно точные предсказания, долгое время такие проблемы выпадали из списка важнейших вопросов, которые физики продвигали к решению.
Но, чтобы понять квантовую механику полностью, чтобы полностью определить, что она говорит о реальности, и чтобы установить, какую роль она может играть в установлении направления стрелы времени, мы должны прийти к пониманию проблемы квантового измерения.
В следующих двух секциях мы опишем некоторые из наиболее заметных и многообещающих попыток сделать это. Результат, к которому вы можете в любой момент перепрыгнуть вперед к последней секции, фокусируясь на квантовой механике и стреле времени, таков, что более хитроумная работа с проблемой квантового измерения дает существенный прогресс, но общепризнанное решение все еще оказывается вне нашей досягаемости. Многие рассматривают это как один из наиболее важных пробелов в нашей формулировке квантовых законов.
Реальность и проблема квантового измерения
На протяжении лет было много предложений для решения проблемы квантового измерения. Ирония заключается в том, что, хотя они влекли за собой отличающиеся концепции реальности, – некоторые радикально отличающиеся, – когда они подходили к предсказаниям того, что исследователь будет измерять почти в любом эксперименте, все они сходились во взглядах и каждое работало подобно заклинанию. Каждое предложение принимало вид одного и того же шоу, даже если, когда вы бросите взгляд за сцену, вы увидите, что их способы действия существенно отличаются.
Когда дело доходит до развлечений, вы обычно не хотите знать, что происходит за кулисами; вы полностью довольствуетесь тем, что обращаете все внимание исключительно на результат. Но когда речь идет о понимании вселенной, имеется ненасытное побуждение отдернуть все занавески, открыть все двери и полностью выявить глубинные внутренние механизмы реальности. Бор рассматривал это побуждение как безосновательное и вводящее в заблуждение. Для него реальность была представлением. Подобно монологу Сполдинга Грея* неприукрашенные измерения экспериментатора являются целым шоу. Они не являются ничем другим. Согласно Бору там нет понятия "за сценой". Пытаться проанализировать, как, когда и почему квантовая волновая функция отбрасывает все возможности, кроме одной, и производит отдельное определенное число на измерительном приборе, ошибочная цель. Измеренное число само является всем, что заслуживает внимания.
Этот взгляд держался у власти в течение десятилетий. Однако, хотя его успокаивающее воздействие на ум боролось с квантовой теорией, он не смог помочь почувствовать, что фантастическая предсказательная сила квантовой механики означает, что имеется ответвление в скрытую реальность, которая лежит в основе механизмов вселенной. Он не смог помочь желанию идти дальше и понять, как квантовая механика связана со здравым смыслом – как она перекрывает пропасть между волновой функцией и наблюдением, и что за скрытая реальность лежит в основе наблюдений. Через годы многие исследователи приняли этот вызов; ниже приводятся некоторые предложения, которые они разработали.
(*)"Сполдинг Грей (р. 1941) – американский актер и сценарист, знаменитый своими моноспектаклями, считающимися образцом острого и едкого юмора". – (прим. перев.)"
Один подход с историческими корнями, восходящими к Гейзенбергу, заключается в отказе от взгляда, что волновые функции есть объективные особенности квантовой реальности, и, вместо этого, в рассмотрении их только как воплощений того, чего мы знаем о реальности. Перед тем, как мы проводим эксперимент, мы не знаем, где находится электрон и, как предполагает этот взгляд, наше неведение относительно его расположения отражается электронной волновой функцией, описывая его как, возможно, находящегося в ряде различных положений. Однако, в момент, когда мы измеряем его положение, наше знание о его местоположении внезапно изменяется: теперь мы знаем его положение, в принципе, с абсолютной точностью. (По принципу неопределенности, если мы знаем его положение, мы неизбежно будем полностью в неведении относительно его скорости, но это не является предметом текущего обсуждения). Это резкое изменение наших знаний, в соответствии с данными взглядами, отражается в резком изменении в электронной волновой функции: она внезапно коллапсирует и принимает форму пика, как на Рис. 4.7, фиксируя наше точное знание положения электрона. В таком подходе, следовательно, резкий коллапс волновой функции совершенно не удивителен: он есть ничто иное, как резкое изменение в знании, которое мы все ощущаем, когда мы изучаем что-либо новое.
Второй подход, инициированный в 1957 году студентом Уилера Хью Эвереттом, отрицает, что волновая функция когда-либо коллапсирует. Вместо этого любой и каждый потенциальный результат, воплощенный в волновой функции, видит свет дня; однако, свет дня, который каждый видит, распространяется через его собственную отдельную вселенную. В этом подходе, многомировой интерпретации, понятие "вселенная" расширяется, чтобы включить бесчисленные "параллельные вселенные" – бесчисленные версии нашей вселенной, – так что все, что может произойти по предсказаниям квантовой механики, даже если его вероятность ничтожна, происходит, по меньшей мере, в одной копии. Если волновая функция говорит, что электрон может быть здесь, там и чересчур далеко, тогда в одной вселенной ваша копия найдет его здесь; в другой вселенной другая ваша копия найдет его там; а в третьей вселенной еще один вы найдет электрон чересчур далеко. Последовательность наблюдений, которую мы каждый делаем от одной секунды к следующей, таким образом отражает реальность, имеющую место только в одной части этой чудовищной, бесконечной сети вселенных, каждая из которых населена копиями вас и меня и любого другого, кто еще живет во вселенной, в которой определенное наблюдение дало определенный результат. В одной такой вселенной вы сейчас читаете эти слова, в другой вы прервались, чтобы полазить по Интернету, еще в другой вы с большим волнением дожидаетесь, когда поднимется занавес перед вашим дебютом на Бродвее. Это похоже на то, как если бы был не единственный блок пространства-времени, изображенный на Рис. 5.1, а бесконечное количество, среди которых каждый реализует один возможный путь сбытий. В многомировой интерпретации, следовательно, ни один потенциальный результат просто не остается потенциальным. Волновые функции не коллапсируют. Каждый потенциальный результат проявляется в одной из параллельных вселенных.*
(*)"Стоит отметить, что при всей его экстравагантности результат Эверетта является следствием аккуратного решения уравнения Шредингера для объединенной системы, включающей как измеряемый микрообъект, так и экспериментатора с его приборами и памятью, причем без вводимого руками коллапса волновой функции. Решение никто не опроверг с момента его появления в 1957, но при этом многомировая интерпретация многими была воспринята как нечто, о чем не принято говорить в приличном физическом обществе. (Что, кстати, вынудило Эверетта оставить науку). Так Бор незадолго до своей смерти отказался обсуждать с Эвереттом его скандальный результат. Нобелевский лауреат В.Л. Гинзбург на вопрос о подходе Эверетта сухо заметил: "Я в это не верю". – (прим. перев.)"
Третье предложение, разработанное в 1950е Дэвидом Бомом, – тем самым физиком, с которым мы сталкивались в Главе 4, когда обсуждали парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, – принимает совершенно другой подход.[8] Бом утверждал, что частицы, такие как электроны, обладают определенными положениями и определенными скоростями, точно как в классической физике, и точно так, как на это надеялся Эйнштейн. Но, в соответствии с принципом неопределенности, эти свойства скрыты от рассмотрения; они являются примерами скрытых переменных, отмеченных в Главе 4. Вы не можете определить обе переменные одновременно. По Бому такая неопределенность представляет предел того, что мы можем знать, но ничего не предполагает о действительных атрибутах самих частиц. Его подход не разрушается от столкновения с результатом Белла, поскольку, как мы обсуждали выше в конце Главы 4, обладание определенными свойствами, запрещенными принципом неопределенности, не исключено; исключена только локальность, а подход Бома нелокален.[9] Напротив, Бом представил, что волновая функция частицы является другим, отдельным элементом реальности, таким, который существует в дополнение к самой частице. Нет частиц или волн, как полагала философия дополнительности Бора; в соответствии с Бомом, есть частицы и волны. Более того, Бом постулировал, что волновая функция частицы взаимодействует с самой частицей – она "направлят" частицу или "помыкает" ей – таким образом, что определяет ее последовательное движение. В то время, как этот подход полностью согласуется с успешными предсказаниями стандартной квантовой механики, Бом нашел, что изменения волновой функции в одном месте могут немедленно подтолкнуть частицу в удаленном месте, что явно обнаруживает нелокальность его подхода. В эксперименте с двумя щелями, например, каждая частица двигается через одну щель или через другую, тогда как их волновые функции двигаются через обе щели и допускают интерференцию. Поскольку волновая функция управляет движением частицы, не будет уж очень удивительным, что уравнения показывают, что частица охотнее приземляется там, где величина волновой функции велика, и она неохотно приземляется там, где последняя мала, что объясняет данные на Рис. 4.4. В подходе Бома нет отдельного этапа коллапса волновой функции, поскольку, если вы измеряете положение частицы и находите ее здесь, это в самом деле место, возле которого она была моментом раньше, чем измерение имело место.
Четвертый подход, разработанный итальянскими физиками Джанкарло Жирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером, предпринял смелые действия по модификации уравнения Шредингера неким хитрым способом, что приводит в почти любом эффекте к "обычной" эволюции волновой функции индивидуальной частицы, но имеет драматическое влияние на квантовую эволюцию, когда это применяется к "большим" повседневным объектам. Предложенная модификация полагает, что волновые функции в своей основе нестабильны; даже без вмешательства, которое предпринимает исследователь, рано или поздно каждая волновая функция коллапсирует по своему собственному желанию к пикообразной форме. Для индивидуальной частицы Жирарди, Римини и Вебер постулировали, что коллапс волновой функции происходит спонтанно и хаотично, возникая, в среднем, только раз за каждый миллиард лет или около того.[10] Это настолько редко, что это вносит только очень слабое изменение в обычное квантовомеханическое описание индивидуальной частицы, и это хорошо, поскольку квантовая механика описывает микромир с беспрецедентной точностью. Но для больших объектов, таких как экспериментатор и его оборудование, которые имеют миллиарды и миллиарды частиц, частота будет настолько выше, что в мельчайшую долю любой заданной секунды постулированный спонтанный коллапс произойдет, по меньшей мере, с одной отдельной частицей, заставив ее волновую функцию схлопнуться. И, как утверждали Жирарди, Римини, Вебер и другие, запутанная природа всех индивидуальных волновых функций в большом объекте обеспечивает, что этот коллапс инициирует разновидность квантового эффекта домино, при котором волновые функции всех составляющих частиц тоже коллапсируют. Так как это происходит в короткую долю секунды, предлагаемая модификация обеспечивает, что большие объекты, по существу, всегда находятся в одной определенной конфигурации: показания измерительного оборудования всегда указывают на одну определенную величину; Луна всегда находится в одном определенном положении в небе; эксперименты внутри мозга всегда дают одно определенное ощущение; коты всегда или мертвы или живы.
Каждый из этих подходов, равно как и ряд других, которые мы не хотим обсуждать, имеет своих сторонников и противников. Подход "волновой функции как знания" ловко обходит проблему коллапса волновой функции путем отрицания какой-либо реальности волновых функций, сводя их вместо этого всего лишь к способам описания того, что мы знаем. Но почему, спросит противник, фундаментальная физика должна быть так тесно связана с человеческой осведомленностью? Если мы здесь не наблюдаем мир, волновые функции никогда не будут коллапсировать или вообще сама концепция волновой функции не будет существовать? Разве вселенная была совершенно другим местом до того, как на планете Земля развилось человеческое сознание? Что если вместо человеческих экспериментаторов наблюдателями являются только мыши, или муравьи, или амебы или компьютеры? Будет ли изменение в их "знании" адекватно ассоциироваться с коллапсом волновой функции?[11]
Напротив, многомировая интерпретация избегает самого понятия коллапса волновой функции, поскольку в этом подходе волновые функции не схлопываются. Но ценой за это является чудовищное разрастание вселенных, это многие противники находят нетерпимо непомерным.[12] Подход Бома также избегает коллапса волновой функции; но, утверждают его противники, допуская независимую реальность как частиц, так и волн, теория испытывает недостаток экономичности. Более того, справедливо утверждают противники, в формулировке Бома волновые функции могут оказывать влияние быстрее-чем-свет на частицы, которые они подталкивают. Сторонники замечают, что недовольство создателем в лучшем случае субъективно, и последнее согласуется с нелокальностью Белла, оказывающейся неизбежной, так что критика также не убедительна. Тем не менее, вообще то неоправданно, подход Бома никогда не становился модным.[13] Подход Жирарди-Римини-Вебера работает с коллапсом волновой функции непосредственно через изменения уравнений для включения нового спонтанного механизма схлопывания. Но, отмечают противники, тут все еще нет и намека на экспериментальное подтверждение, поддерживающее предложенную модификацию уравнения Шредингера.
Исследовательский поиск твердой и полностью прозрачной связи между формализмом квантовой механики и опытом повседневной жизни будет, несомненно, продолжаться в течение некоторого времени до готовности, и тяжело сказать, если это вообще будет иметь место, который из известных подходов в конечном счете добьется согласия большинства. Если бы физики сегодня проголосовали, я не думаю, что нашелся бы несомненный фаворит. К несчастью, экспериментальные данные могут оказать ограниченную помощь. Хотя предложение Жирарди-Римини-Вебера делает предсказания, которые могут в определенных ситуациях отличаться от стандартной квантовой механики с ее этапом один/этапом два, отклонения слишком малы, чтобы их можно было зафиксировать современной технологией. Ситуация с другими тремя предложениями еще хуже, поскольку они еще более решительно препятствуют экспериментальной верификации. Они полностью согласуются со стандартным подходом, так что каждое дает одинаковые предсказания для вещей, которые могут быть подвергнуты наблюдению и измерены. Они отличаются только в отношении того, что происходит за кулисами, если происходит. Что означает, они отличаются только в отношении того, что квантовая механика содержит в себе как лежащую в основе природу реальности.
Даже если проблема квантовых измерений остается нерешенной, на протяжении последних нескольких десятилетий в разработке находилась система взглядов, которая, хотя все еще неполная, имеет широко распространенную поддержку как перспективная составляющая любого жизнеспособного решения. Она называется декогерентность.
Декогерентность и квантовая реальность
Когда вы впервые сталкиваетесь с вероятностным аспектом квантовой механики, естественной реакцией является подумать, что это не более экзотично, чем вероятности, которые возникают при подбрасывании монетки или вращении рулетки. Но когда вы знакомитесь с квантовой интерференцией, вы осознете, что вероятность входит в квантовую механику намного более фундаментальным образом. В повседневных примерах различные результаты – орел против решки, красное против черного, один лотерейный номер против другого – объясняются вероятностями с пониманием, что тот или иной результат определенно произойдет и что каждый результат является конечным продуктом независимой, определенной истории. Когда монета подбрасывается, временами вращательное движение таково, что прямо с броска выходит орел, а временами таково, что прямо с броска выходит решка. Вероятностью 50 на 50 мы обозначаем, что каждый исход относится не просто к конечному результату – орел или решка – но также к истории, которая привела к каждому результату. Половина возможных способов, которыми вы можете подбросить монету, приведут к орлу, а половина к решке. Сами истории, однако, являются полностью разделенными, изолированными альтернативами. Нет смысла интересоваться, в каких различных движениях монеты альтернативы усиливают друг друга, а в каких гасят. Все они независимы.
Но в квантовой механике ситуация другая. Альтернативные пути, по которым электрон может следовать через две щели к детектору не есть отдельные, изолированные истории. Возможные истории смешиваются, чтобы произвести наблюдаемый результат. Некоторые пути усиливают друг друга, тогда как другие уничтожают друг друга. Такая квантовая интерференция между различными возможными историями отвечает за картину светлых и темных полос на детекторном экране. Так что вопиющее различие между квантовым и классическим представлением о вероятности заключается в том, что первое предрасполагает к интерференции, а последнее нет.