Мир квантовой механики полон странностей: частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, а их свойства кажутся неопределенными до момента наблюдения. В то же время наш повседневный, классический мир демонстрирует завидную стабильность и однозначность. В новом выпуске программы PBS Space Time ведущий Мэтт О'Дауд (Matt O'Dowd) объясняет, как из квантового хаоса рождается привычная нам реальность и почему концепция «квантового дарвинизма» может быть ключом к разгадке этой тайны.
🐈 Кот Шрёдингера и проблема суперпозиции 0:12
В квантовом масштабе объекты регулярно находятся в суперпозиции — состоянии, когда они пребывают в нескольких качествах сразу . Однако на макроуровне мы видим нечто иное: вещи либо такие, либо другие. Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шрёдингера иллюстрирует этот парадокс: если атом в закрытом ящике находится в суперпозиции «распался/не распался», означает ли это, что и кот одновременно мёртв и жив? .
Квантовая механика утверждает, что любая сумма двух валидных квантовых состояний сама по себе является валидным состоянием . По словам Мэтта О'Дауда, на фундаментальном уровне даже нет чёткого способа определить, что такое «состояние», так как положение частицы может быть представлено как суперпозиция состояний её импульса . Возникает вопрос: если состояния «жив» и «мёртв» одинаково валидны, почему в реальности мы всегда наблюдаем только одно из них? .
Частичный ответ кроется в декогеренции. Для наблюдения суперпозиции необходима фазовая связь между состояниями, но она быстро разрушается. Однако, как отмечает ведущий, декогеренция сама по себе не объясняет, почему именно определённые свойства (например, положение атомов, определяющих живого кота) выживают и становятся «реальными» в классическом мире .
🌀 Квантовый спин и базис измерения 2:51
Чтобы понять, как проявляются классические свойства, Мэтт О'Дауд предлагает рассмотреть квантовый спин. Спин можно представить как ось вращения частицы, которую мы измеряем под определённым углом .
Особенности измерения спина:
- Если измерить спин вертикально, можно получить значения «вверх» или «вниз» .
- Если затем измерить ту же частицу горизонтально, мы не обнаружим «нулевого» значения, как в классике. Вместо этого частица случайным образом выберет состояние «влево» или «вправо» .
- Значение квантового спина напрямую зависит от выбранного базиса измерения .
Это означает, что определённое направление спина в одном базисе (например, «вверх») является суперпозицией состояний в другом базисе («влево» и «вправо») . Таким образом, фундаментальные квантовые состояния могут «растворяться» при смене точки зрения.
🔗 Запутанность и «жуткое действие на расстоянии» 4:25
Ключ к пониманию реальности лежит в квантовой запутанности. Ведущий напоминает об ЭПР-парадоксе (парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена): когда фотон распадается на электрон и позитрон, их спины должны быть противоположны для сохранения углового момента .
До момента измерения обе частицы находятся в суперпозиции всех возможных направлений . Однако, как только мы измеряем спин электрона в вертикальном базисе и получаем «вверх», позитрон мгновенно приобретает определённое состояние «вниз» в том же базисе . Альберт Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии» . Мэтт О'Дауд подчёркивает, что этот эффект реален, хотя и не позволяет передавать полезную информацию быстрее света .
🏗️ Как происходит «измерение» на самом деле 6:21
Что именно заставляет волновую функцию коллапсировать? Мэтт О'Дауд описывает гипотетический измерительный прибор, состоящий из магнитов и одного-единственного атома-детектора .
Процесс выглядит следующим образом:
- Магниты отклоняют электрон вверх или вниз в зависимости от спина .
- На «верхнем» пути стоит атом, который переключается из состояния «выкл» в «вкл», если электрон проходит рядом .
- Казалось бы, посмотрев на атом, мы узнаем путь электрона и его спин. Однако Мэтт О'Дауд утверждает, что само по себе это не коллапсирует волновую функцию .
Вместо коллапса возникает новая, более сложная суперпозиция. Теперь электрон и атом находятся в «совместном запутанном состоянии»: (электрон вверх + атом вкл) и (электрон вниз + атом выкл) . Атом теперь запутан не только с электроном, но и с далёким позитроном. Информация просто «спряталась» в более сложной системе .
🧬 Квантовый дарвинизм и «железная селекция» 10:07
Для того чтобы мы осознали результат измерения, информация должна достичь макроскопического объекта, например, стрелки прибора . Физик Войцех Зурек (Wojciech Zurek) предложил теорию, объясняющую этот процесс.
По мнению Зурека, по мере того как всё больше частиц вовлекается в сеть запутанности, информация о квантовых состояниях распределяется между ними . Когда этот каскад достигает окружающей среды, информация о большинстве квантовых состояний становится невосстановимой. Но существуют особые, устойчивые состояния, информацию о которых среда «копирует» и тиражирует наиболее эффективно. Зурек назвал их pointer states (состояния-указатели) .
Мэтт О'Дауд поясняет основные принципы этой концепции, получившей название «квантовый дарвинизм»:
- Окружающая среда выбирает определённые состояния для распространения. Этот процесс называется «энселекция» (environmentally induced super selection) .
- Состояния, которые лучше всего выживают и реплицируются в контакте со средой, становятся теми самыми классическими свойствами, которые мы видим .
- Важнейшим примером такого состояния является положение частицы. Поскольку большинство взаимодействий зависит от местоположения, информация о координатах распространяется по сети запутанности быстрее всего .
🕸️ Реальность как «взаимное соглашение» 13:48
Согласно изложенной теории, привычная нам реальность — это не внутреннее свойство объектов, а своего рода «коллективный консенсус» внутри сети запутанности . Сами по себе квантовые объекты остаются в неопределённых суперпозициях.
По словам Мэтта О'Дауда, макроскопические наблюдаемые величины — такие как положение предметов, статус кота («жив» или «мёртв») и даже результаты научных измерений — существуют только как взаимно согласованная информация, пронизывающая всё окружение . Мы сами являемся частью этой сети, этого «веб-узла взаимосогласованных запутанностей» .
Хотя квантовый дарвинизм не решает проблему измерения полностью (он не объясняет, почему мы видим именно один конкретный результат из множества выживших состояний), он даёт ответ на вопрос, почему мир кажется нам классическим .
♾️ Квантовое бессмертие и бесконечные Большие взрывы 15:30
В завершение выпуска Мэтт О'Дауд отвечает на вопросы зрителей о многомировой интерпретации и «квантовом самоубийстве» . Суть эксперимента в том, что экспериментатор выживает в цепочке смертельных квантовых событий только в тех мирах, где эти события не произошли.
Разница между копенгагенской интерпретацией и многомировой, по мнению ведущего, заключается в следующем:
- В копенгагенской интерпретации редкие сценарии выживания, скорее всего, просто не реализуются .
- В многомировой интерпретации версия вас, которая выжила, обязательно существует, и именно её вы будете осознавать .
Один из зрителей предположил, что если все возможные квантовые события происходят, то в редчайших ветках вселенной энтропия может упасть настолько, что это вызовет новый Большой взрыв . Мэтт О'Дауд признаёт, что некоторые физики рассматривают наш Большой взрыв именно как такую флуктуацию. Если это так, то глобальная волновая функция многомировой интерпретации фактически является «машиной по производству Больших взрывов» .
Однако ведущий уточняет: в рамках многомировой интерпретации происходят только те варианты будущего, которые допускаются законами физики. Если эволюция волновой функции в принципе не может создать условия Большого взрыва, то этого не случится ни в одной из ветвей .
