Пятеричный путь
Джакомо Мауро Д’Ариона из Павийского университета (Италия) и его коллеги Джулио Чирибелла и Паоло Перинотти выдвинули пять фундаментальных принципов, которые должны применяться к любой физической системе, чтобы провести над ней разумные измерения – как и шестой, который, как они утверждают, объясняет таинственность квантовых измерений (см. в этом параграфе).
1. Причинность. Что-то в будущем не может влиять на измерения, которые вы проводите прямо сейчас.
2. Различимость. Если состояние не слишком шумное, тогда существует другое состояние, которое можно отличить от этого.
3. Композиция. Если вы знаете все, что возможно знать о каждой стадии процесса, тогда вы знаете все, что в принципе можете знать обо всем процессе.
4. Сжатие. Есть способы эффективной передачи всей информации, относящейся к измерению физической системы без необходимости передачи самой системы.
5. Томография. Когда у вас имеется система, состоящая из нескольких частей, статистика измерений, проведенных над отдельными частями, достаточна для установления состояния всей системы в целом.
Возможно, эти принципы – все, что нужно для того, чтобы разобраться, как устроен мир – и привести нас к теории всего.
Квантовое VS классическое
Есть несколько явлений, отличающих квантовую физику от повседневной, классической. Первое – это суперпозиция, когда кажется, что частицы находятся в двух местах одновременно или в одно и то же время вращаются и по, и против часовой стрелки. Второе – это запутанность: две частицы запутаны, если измерение свойств одной мгновенно влияет на свойства другой независимо от того, как далеко они друг от друга находятся. Помимо этого, существует результат любого измерения в квантовой системе, на первый взгляд представляющийся случайным. Вы не можете сказать, каким будет результат любого измерения перед тем, как вы его проведете; вы можете только вычислить вероятности различных исходов.
В области теории квантовой информации существует важное различие между типами квантовых состояний. Для приложений, например криптографии, некоторые состояния описываются как чистые – это означает, что мы знаем все, что в принципе можно знать о таких состояниях. Довольно легко, например, знать все об одиночном изолированном атоме водорода, когда он находится в состоянии с наименьшей энергией – это чистое состояние. Кроме того, есть смешанные состояния, полной информацией о которых мы пока не обладаем. К примеру, одна частица из запутанной пары находится в смешанном состоянии: вы не можете знать все об одном члене такой пары без рассмотрения ее партнера.
Но интригует то, что вместе эти запутанные частицы образуют чистые состояния. Две частицы содержат всю информацию, которую нужно знать о квантовой системе. Возможно ли, что вся беспорядочная неопределенность квантового мира просто вытекает из нехватки информации – измерения смешанного состояния без доступа к бÓльшему чистому состоянию, частью которого оно является?
Если бы каждое смешанное состояние было частью чистого, было бы возможно описать каждый физический процесс с максимальной детализацией. Возьмите существование такой перспективы в качестве так называемого принципа очищения, и тогда кому-то всегда будет открыт доступ к чистому состоянию для проведения измерений, согласующихся с теми, что проводятся наблюдателями с меньшими возможностями, имеющими дело со смешанными состояниями (см. рис. 7.5). Конечно, это не избавляет от таинственности, но все же делает ее явной.
Рис. 7.5. Понимание квантовой таинственности может помочь в получении правильной перспективы.
И все же осторожность по-прежнему необходима. Прежде всего исследователи по-прежнему пытаются разработать метод, позволяющий проследить эволюцию квантовой системы. Для этого им нужно понять, где конкретные свойства, например масса частицы, подходят под их описание. Если они смогут сделать все правильно, это может дать больше, чем просто обоснование квантовой теории: возможно, это откроет новый путь к объединению общей теории относительности с квантовой механикой. Этот метод может привести нас к описанию квантовой гравитации, которую давно мечтают создать «теоретики всего».
Нужен ли наблюдатель для коллапса волновой функции?
Одним альтернативным объяснением тонкостей суперпозиции является идея, что волновые функции могут коллапсировать случайно, сами собой. Такой объективный коллапс был бы редким, но поразительным явлением. Ждите коллапс волновой функции одиночной частицы – и, возможно, вы будете ждать дольше, чем просуществует Вселенная. Но если собрать вместе много частиц, то ваши шансы быстро возрастут. С несколькими миллиардами частиц, возможно, вам придется ждать всего лишь несколько секунд до того, как волновая функция одной из них сколлапсирует и запустит коллапс остальных.
Это предположение могло бы объяснить многие непонятные явления и нерешенные задачи квантовой теории. Мы не видим призрачные квантовые эффекты у больших объектов, например котов или Луны, потому что при таком количестве взаимодействующих частиц их волновые функции легко коллапсируют или вообще не образуются. А в ранней Вселенной было лишь вопросом времени, когда волновая функция вещества сколлапсирует в неравномерное распределение, из которого образуются звезды и галактики.
Теория объективного коллапса также имеет интуитивное объяснение и для проблемы наблюдателя. Человеческое тело состоит из более чем одного миллиарда миллиардов миллиардов атомов, которые содержат еще большее число частиц. Наблюдатель, влезающий даже в надежно изолированную квантовую аппаратуру, становится квантово запутанным с ней, и их сколлапсировавшая волновая функция затем заставляет любую находящуюся поблизости несколлапсировавшую волновую функцию тоже коллапсировать.
Также дает о себе знать и спонтанный коллапс волновой функции. Когда волновая функция исчезает, на ее месте возникает нечто новое – определенное положение, количество информации или импульс энергии. Каждый коллапс выпускает лишь крохотное количество энергии, так что в повседневных масштабах мы его не замечаем. Но во Вселенной в целом это создание энергии довольно значительно. Возможно, оно даже решит величайшую космологическую головоломку всех времен и народов – раскроет природу до сих пор не объясненной «темной энергии», которая, по всей видимости, приводит к ускорению расширения Вселенной (см. главу 8).
8. Квантовый космос
Для объяснения рождения и роста нашей Вселенной мы в течение века полагались на теорию относительности Эйнштейна, а именно на общую теорию относительности. Но пришло время идти дальше. Сейчас понятия квантовой механики начали просачиваться из их храма физики частиц, чтобы присоединиться к теории относительности на бескрайних межзвездных пространствах. И хотя подлинная космическая роль кванта остается туманной – речь идет о недоказанных теориях и догадках, связанных с кротовыми норами, черными дырами и суперструнами, – множество физиков считают, что эти необыкновенные новые идеи предвещают долгожданное объединение теории квантовой гравитации, которая вконце концов раскроет причины Большого взрыва иприроду пространства ивремени.
