Читать книгу "Квант - Джим Аль-Халили"

1984 году предложил Роберт Гриффитс, а через несколько лет ее развил Роланд Омне. В соответствии с этой точкой зрения, «история» определяется как цепочка квантовых событий, последовательных во времени. Этот подход удачен тем, что он позволяет нам определять вероятности различных событий – к примеру, вероятность распада радиоактивного атома в конкретный момент времени, – даже если они происходят далеко в космосе, вдали от всех измерительных приборов.

Мне также стоит упомянуть, что существует несколько интерпретаций, основанных на теории динамической редукции[43]. Эти подходы требуют некоторого дополнения, которое время от времени приводит к самостоятельному спонтанному коллапсу волновой функции (в отсутствие измерений). Хотя теорию можно согласовать со всеми известными наблюдениями, реальный физический механизм, вызывающий этот коллапс, пока неизвестен. Эксперименты ближайшего будущего проверят, происходит ли это на самом деле. Если это так, то квантовую механику потребуется модифицировать. Большинство физиков сходятся во мнении, что вероятность этого крайне мала.

Вверху: Транзакционное объяснение. Хотя эта интерпретация не помогает объяснить главную загадку, как атом проходит сквозь обе прорези одновременно, она делает попытку объяснить, как атом еще до прохождения сквозь прорези знает, наблюдают ли за ним. Достигая экрана или детектора, установленного возле одной из прорезей, атом посылает в прошлое сигнал, который определяет поведение приближающейся волны, веля ей либо проходить сквозь обе прорези и интерферировать, либо проходить лишь сквозь одну из прорезей.

Внизу: Объяснение суммы историй. Атом остается частицей, но одновременно изучает все возможные пути, какими бы невероятными они ни были. Сложенные вместе, все пути исключают друг друга, оставляя лишь один физический путь, по которому и следует атом. Но то, как именно пути исключают друг друга, зависит от количества вариантов; если обе прорези открыты, возможных путей больше, поэтому их исключение происходит иначе.

Где мы сейчас?

Проблемы интерпретации квантовой механики вышли на первый план серьезной науки лишь в последние пару десятилетий. Отчасти это объясняется проведением новой серии невероятно сложных и инновационных экспериментов в сфере атомной физики и оптики, а также выдающейся работы в новых областях квантовой криптографии и квантовых вычислений. Во многих исследованиях физики манипулируют отдельными атомами!

Будучи студентом, я и не подозревал о проблемах интерпретаций. Хотя тема этой главы лишь сбивает студентов с толку и отвлекает их от проведения полезных и важных расчетов и измерений, кажется, что обсуждение этих вопросов до недавнего времени считалось табу. Марри Гелл-Ман выразился так:

«Нильс Бор промыл мозги целому поколению физиков, заставив всех поверить, что проблема уже решена».

А по словам самого Бора:

«нет никакого квантового мира. Есть лишь абстрактное квантовофизическое описание. Ошибка – думать, что задача физиков заключается в том, чтобы выяснить, какова наша природа. Физики думают [лишь] о том, что мы можем сказать о природе».

Я не согласен. По крайней мере, здесь я чувствую, что Эйнштейн был прав. Он полагал, что задача физических теорий заключается в «как можно более правдивом описании истинной физической реальности». Так что я предпочитаю в духе «Секретных материалов» считать, что «истина где-то рядом». Я не знаю, сумеем ли мы когда-либо ее постичь, однако не сомневаюсь, что наши поиски не окажутся тщетными. Одно то, что формализм квантовой механики дает нам роскошь обладания сразу несколькими интерпретациями, из которых мы (пока) не можем выбрать верную, не означает, что верной интерпретации не существует. Само собой, мы можем ее никогда не найти, однако было бы слишком самонадеянно с нашей стороны полагать, что, раз мы не можем сделать выбор, его не может сделать и природа.

Квантовая реальность с позиции де Бройля и Бома

Крис Дьюдни. Школа наук о земле и окружающей среде, Портсмутский университет

Хотя интерпретацию де Бройля – Бома и нельзя назвать самой популярной среди физиков, существует несколько ее вариантов. Общим знаменателем различных подходов становится тот факт, что частицы обладают определенным положением, которое развертывается в соответствии с детерминистскими уравнениями движения. Зная некоторые изначальные положения всех частиц в системе (не забывайте, это нельзя контролировать – см. основной текст) и принцип изменения волновой функции с течением времени, можно точно рассчитать, как будут двигаться частицы. Таким образом, все будущее (и прошлое) системы, включая результаты любых проводимых измерений, становится предсказуемым. В этом отношении квантовая механика ничуть не более загадочна, чем классическая. Подходы различаются лишь нашим взглядом на то, как именно определяются траектории.

Изначально Бом заявил о существовании нового типа силы, происходящей из квантового потенциала и направляющей частицы в верные места, тем самым объясняя разницу между квантовым и классическим поведением. Бому хотелось на контрасте показать существенные различия между квантовым и классическим миром. Остальные приняли версию Джона Белла и заявили, что нам нужно лишь уравнение, которое определяет траектории (и которое само по себе следует считать новым типом закона природы), и что нам следует воздержаться от разговоров о квантовых потенциалах и квантовых силах, которые, к несчастью, облачают теорию в жуткую ньютоновскую форму. Одна из проблем, которые, возможно, в прошлом помешали принятию интерпретации де Бройля – Бома, заключается в том, что вручную эти траектории можно рассчитать лишь в самых простых и неинтересных случаях. Однако с конца 1970-х годов было проведено множество точных вычислений, начиная с эксперимента с двумя прорезями, которые ясно показывают, как именно работает этот подход.

Как в 1952 году заметил Бом, для интерпретации де Бройля – Бома характерна одна интересная черта: хотя основная теория и воспроизводит все ожидаемые результаты, варианты также возможны – они появляются при ослаблении некоторых допущений интерпретации, которые дают новые наблюдаемые эффекты. В настоящее время ведется работа по определению обстоятельств, в которых эти эффекты могут быть распознаны.

Одной из наиболее фундаментальных черт квантовой механики, которую обнажает интерпретация де Бройля – Бома, является нелокальность. Нелокальность представляет собой связанность отдельных систем в обстоятельствах, при которых, в соответствии с теорией относительности, между ними невозможно никакое физическое взаимодействие. Согласно теории относительности, все коммуникации должны происходить на скорости, которая меньше или равна скорости света, однако нелокальность нарушает это условие. Сегодня одним из самых интересных вопросов теории де Бройля – Бома можно назвать проблему согласования явной нелокальности с теорией относительности. Считается, что никакие возможные в квантовых системах измерения не могут обнажить конфликт с относительностью, наглядно продемонстрировав сверхсветовое взаимодействие: мы не можем использовать квантовую механику для передачи сигналов на скорости выше скорости света. Также считается, что любая реалистическая интерпретация квантовой механики должна включать в себя нелокальные процессы. Бом утверждал, что, даже несмотря на