Чудо в квантах

 

Дорогие друзья! Встречаясь с вами в Торонто, я провела лекцию, где упомянула о споре Альберта Эйнштейна с Нильсом Бором по поводу физики квантов. Последовало много заинтересованных звонков с просьбой осветить тему шире. Что ж, вот - дайджест нескольких научных обзоров сразу «по следам квантового чуда».

 

Многовариантность развития событий

 

Существуют ли в нашем мире какие-либо абсолютно случайные явления, или все процессы строго детерминированы законами физики так, что зная текущее состояние мира и все физические законы можно рассчитать следующее его состояние?

До начала XX века все научные теории подтверждали точку зрения детерминистов. Сквозь призму ньютоновской механики мир рассматривался как огромный часовой механизм, работающий по строго заданным законам гравитации. Созданная Альбертом Эйнштейном теория относительности изменила законы, по которым работает мировой часовой механизм, но не изменила его детерминированной сути.

Переворот произошел, когда наука отвлекла свой взор от макрокосма и обратила внимание на микромир. Исследование строения атомов и поведения света привели ученых к созданию квантовой механики - контринтуитивного и парадоксального раздела физики. Оказалось, что на микроуровне кванты света и частицы вещества не ведут себя как строго материальные объекты, а проявляют двойственную природу - с одной стороны их поведение описывается волновым уравнением Шредингера, с другой стороны в момент взаимодействия они проявляют себя как точечные частицы - это свойство получило название корпускулярно-волнового дуализма. Более того оказалось, что невозможно одновременно точно измерить координаты частицы и её импульс.

 

Таким образом, физики поняли, что на субатомном уровне мир не является строго детерминированным, в нём присутствует элемент случайности - при измерении и коллапсе волновой функции в частицу, частица появлялась в случайном месте в определенной волновой функцией области пространства.

Многих учёных это взбесило: создатель теории относительности Альберт Эйнштейн возмущался, что "Бог не играет в кости". Его не устраивало утверждение о том, что коллапс волновой функции - это абсолютно случайное явление. Кроме того, его не устраивала гипотеза о том, что коллапс происходит только при взаимодействии кванта с другими частицами или, как еще говорят, "измерении" .

 

Он спрашивал у создателей квантовой механики: "Неужели Луна существует только, пока я на неё смотрю?". Физики того времени не знали, что ответить Эйнштейну. В задекларированной в Копенгагене в 1927 году интерпретации квантовой механики Нильс Бор и Вернер Гейзенберг постулировали, что "коллапс волновой функции происходит при измерении" без указания каких-либо объективных причин.

К копенгагенской интерпретации квантовой механики отношение было неоднозначным. С одной стороны она была единственной и общепринятой, с другой стороны многие физики нутром противились идее недетерминированности мира. 

Альберт Эйнштейн до конца жизни не смог с этим смириться, и именно его последний ученик и помощник американский физик Джон Уилер воспитал аспиранта, который её сокрушил. 

Имеется в виду американский физик Хью Эверетт. Эверетт был абсолютно согласен со своим "научным дедушкой" Эйнштейном в том, что коллапс волновой функции Шрёдингера не может быть случайным. И спустя два года после смерти Эйнштейна он опубликовал свою докторскую диссертацию, в которой предложил другую интерпретацию квантовой механики.

Согласно интерпретации Эверетта в момент измерения волновая функция не коллапсирует в один из возможных вариантов нахождения частицы, а создает сразу все возможные варианты, таким образом Вселенная распараллеливается и в каждой параллельной Вселенной получается свой результат измерения координат частицы.

 

Если привести пример с знаменитым мысленным экспериментом Эрвина Шрёдингера с котом, то согласно интерпретации Эверетта получается, что в одной параллельной Вселенной кот остается жив, а в другой умирает. Эта интерпретация квантовой механики также называется многомировой, а все параллельные Вселенные вместе взятые обычно называют Мультивселенной, или прямой калькой с английского "Мультиверс".

К сожалению, после публикации своей докторской диссертации Хью Эверетт был высмеян современниками и, обидевшись, навсегда ушел из академической науки. Но со временем его гипотеза получила широкое признание среди физиков, а также послужила основой сюжета бесчисленного количества супергеройских комиксов, таких как "Кризис на бесконечных землях" DC.

В случае верности гипотезы Эверетта мы приходим к интересному выводу - мир одновременно и детерминирован, и случаен. С одной стороны мир работает по совершенно строгим законам физики и все кванты подчиняются волновому уравнению Шрёдингера, а с другой стороны мы никак не можем предсказать в каком именно из параллельных миров мы окажемся при измерении, то есть для нас результат получается абсолютно случайным.

 

Квантовое бессмертие

 

Что не так с многомировой интерпретацией в её проверяемости: увы, по своим следствиям она неотличима от копенгагенской. Долгое время физики думали над experimentum crucis, который дал бы определенный ответ на то, верна ли догадка Эверетта или нет.

И в конце восьмидесятых годов два физика, Ханс Моравек и Бруно Маршалл, придумали такой эксперимент - квантовое самоубийство. Суть эксперимента такова: создается устройство, состоящее из двух частей: автоматической винтовки (ну или пусть это будет автомат Калашникова) и спускового крючка, нажатие на который привязано к распаду неких радиоактивных атомов. То есть, если атом распадается, автомат стреляет, если нет, то просто щелкает. Вероятность выстрела зависит от коллапса волновой функции и равна 50%. Процесс измерения распада атома происходит раз в секунду, то есть раз в секунду автомат либо стреляет, либо щёлкает.

И теперь переходим к самой сути и невероятной красоте эксперимента: если мы смотрим на этот автомат со стороны, то мы слышим и видим абсолютно случайную последовательность выстрелов и щелчков: выстрел, щелчок, выстрел, выстрел, щелчок, выстрел, щелчок, щелчок, выстрел, щелчок. Но как только мы помещаем нашу голову на линию огня автомата происходит магия - автомат только щёлкает и никогда не стреляет. Как такое возможно?

 

Всё дело в том, что в тех параллельных вселенных, где автомат выстрелил, вы умерли, а остались в живых вы только в той единственной вселенной, где автомат всегда щёлкал. Поэтому не стоит показывать этот эксперимент вашим друзьям: за минуту стояния на линии огня квантового автомата в 60 параллельных вселенных ваши друзья увидят как ваши мозги разлетаются по стене, и лишь в одной из них вы сможете сказать им: "Вот видите, я же говорил, что я бессмертный". 

Эта особенность делает данный эксперимент самой остроумной шуткой Б-га - с его помощью вы можете доказать верность многомировой интерпретации квантовой механики только для самого себя.
Disclaimer: очевидно, что это описание не является руководством к действию. В романе М.Ю.Лермонтова «Герой нашего времени» офицеры заигрались, и фатализм сыграл против них.

 

Вычислительная сложность против демона

 

Другая интересная точка зрения на проблему детерминизма и случайности исходит, как это ни странно, из математики. В 1814 году знаменитый французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил мысленный эксперимент, в последствии известный как "демон Лапласа". 

Лаплас писал:Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие его прошлого и причину его будущего. Разум, которому в каждый определённый момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы неясного и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое.

 

То есть Лаплас предполагал, что раз Вселенная полностью запрограмированна, то возможно создание такой машины, которая зная все возможные данные о всех частицах в мире, сможет предсказать следующее состояние Вселенной. И хотя квантовая механика опровергла возможность создания демона Лапласа, еще раньше он получил смертельный удар от математики, а конкретно от теории вычислительной сложности.

Парадокс демона таков: если демон Лапласа был бы создан, то он был бы материален. И если демон умел бы расчитывать за 1 минуту состояние мира через 2 минуты от начала расчета, то он знал бы и своё следующее состояние (ведь он материален и является частью этого мира), таким образом он бы знал состояние мира через 3 минуты. Но зная состояние мира через 3 минуты, он знал бы и своё состояние, поэтому знал бы состояние мира через 4 минуты, и так далее. Получается, что за минуту работы демон Лапласа узнал бы всю будущую историю Вселенной.

Если предположить, что Вселенная вечна, то для хранения такой информации нужно бесконечное количество памяти, а являясь материальным, демон ограничен ресурсами, доступными ему во Вселенной: возможно колоссальными, но не бесконечными. Если же Вселенная имеет конец, то демон всё равно не может обладать памятью достаточной для знания о будущем - ведь количество информации о следующем состоянии мира равно количеству информации в текущем состоянии мира, таким образом во всей Вселенной количества "памяти" хватает только на запись одного состояния - текущего. Этот краткий миг между прошлым и будущим - мгновение настоящего.

Кроме того, такой раздел современной науки как цифровая физика утверждает что основа всего сущего - это информация, максимальная скорость распространения которой определяется скоростью света. Последние исследования в этой области предполагают, что алгоритмическая сложность расчёта следующего состояния мира несокращаема. То есть, расчёт следующего состояния мира и его наступление занимает одинаковое время. Таким образом, невозможно рассчитать состояние мира на "два такта вперёд". А следовательно демон Лапласа невозможен.
Это приводит нас к выводу, что, поскольку мы не можем точно рассчитать будущее по настоящему, для нас оно является случайным и неожиданным, несмотря на строгую детерминированность законов физики.

 

Заключение

 

Свобода выбора все-таки есть! Даже если с точки зрения Творца, все определено, однако для сотворенных – открыты все пути, все возможности.

Круглая ли Земля или плоская? Если она кругла, то почему все мореходы пользуются только плоскостной геометрией при своих расчетах передвижения? Почему летчики ведут самолеты так, как если бы никакой кривизны не существовало и они летали бы над плоской тарелкой? Вероятно, ответ в квантовой сложности наблюдаемого нами мира. Мир ведет себя по-разному в зависимости от того, наблюдаем мы за ним или не наблюдаем.

Он полон загадок. И мы доверяем Его Творцу, что все разгадки будут добрыми. Мошиах даст разгадку всем нашим крутым пазлам и квестам. Элиягу-пророк также разрешит всевозможные накопившиеся вопросы.

 

Эстер Кей, 
исследователь каббалы и эзотерики из Цфата, Израиль,
специально для Русского Экспресса.