Взгляд со стороны. Естествознание и религия

Суперпозиция состояний обходит стороной тот факт, что, открывая вторую щель, мы изменяем поведение электрона, когда он проходит через первую щель. При двух открытых щелях каждая из них влияет друг на друга.

В 2016 г. международная группа экспериментаторов, возглавляемая американским профессором физики Робертом Бойдом, экспериментально подтвердила, что при прохождении фотона через три щели вклад в результирующую интерференционную картину вносят и невозможные для классической физики траектории. Это, например, траектории, по которым частица входит в одну щель, затем движется назад, проходит через другую щель и изменив траекторию выходит через третью щель.

Состояние частицы после прохода трёх щелей не эквивалентно сумме состояний её прохода в отдельности через каждую из щелей при закрытых двух других. Трёхщелевой эксперимент показал некорректность распространённого понимания принципа квантовой суперпозиции.

В 1942 г. Ричард Фейнман предложил альтернативное описание квантовой механики через интеграл по траекториям. В его основу вместо уравнения Шрёдингера для волновой функции определено не уравнение, а бесконечное интегрирование по всем возможным траекториям. Фейнман учитывал не только классические траектории при передвижении частицы из одной точки в другую, но и все без исключения траектории, соединяющие эти точки. При этом каждая из траекторий имела свой «вес». Наибольший вклад давали траектории, близкие к тем, которые предсказывает классическая физика[45 - Коржиманов А. Существование «неклассических» траекторий подтвердили в эксперименте с тремя щелями, 18.01.2017. https://nplus1.ru/news/2017/01/18/non-classical-trajectory.].

Такой подход позволил наглядно связать квантовое и классическое описание движения. Интеграл по траекториям можно свести к дифференциальному уравнению Шрёдингера, поэтому первичной остаётся всё-таки волновая функция, трактовка которой сводится к перезаписи уравнения Шрёдингера[46 - Верхозин А. Н. Интерпретация квантовой механики, 2013. https://cyberleninka.ru/article/n/interpretatsiya-kvantovoy-mehaniki.].

В нашем представлении прохождение частицы по всем траекториям одновременно имеет физический смысл в том случае, если предположить, что в данный момент времени частица находится или в состоянии частицы, или в состоянии волны. При этом движущаяся частица пребывает попеременно в каждом из этих состояний (см «Квантовый мир и движение»).

Дискуссии среди учёных по вопросу интерпретации квантовой механики продолжаются более 75 лет и фактически зашли в тупик. В настоящее время существует около 20 интерпретаций квантовой механики, и, по выражению профессора А. Н. Верхозина, «каждая из них содержит зерно истины».

Наибольшее распространение получила копенгагенская интерпретация. На втором месте – многомировая (эвереттовская) интерпретация, после неё – бомовская и далее, с большим отрывом по числу сторонников – остальные интерпретации[47 - Мамчур Е. А. В поисках информационной интерпретации квантовой механики. 2016. https://cyberleninka.ru/article/n/v-poiskah-informatsionnoy-interpretatsii-kvantovoy-mehaniki.].

В основе копенгагенской интерпретации, сформулированной Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, лежат два принципиальных положения:

а) вне наблюдения реальности не существует;

б) реальность «создаётся» самим наблюдателем.

По утверждению Бора, для выявления результата измерения требуется классический прибор. При измерении квантовый объект взаимодействует с измерительным прибором, что вызывает коллапс волновой функции измеряемого микрообъекта. В итоге суперпозиция переходит в одно наблюдаемое состояние.

Эвереттовская интерпретация со многими вселенными разрешает проблему коллапса волновой функции; бомовская предполагает возвращение физики к детерминизму, однако страдает выраженной нелокальностью.

В последнее время наметился интерес к информационной трактовке квантовой механики. Одна из причин – технологические достижения квантовой информатики. Вторая причина в том, что многие исследователи надеются с помощью информационной интерпретации квантовой механики разрешить трудности стандартной интерпретации.

Несмотря на то, что квантовая механика считается универсальной теорией, приложенная к макромиру, она порождает парадоксы. Наиболее известные из них – парадокс «кота Шрёдингера» и парадокс «друга Вигнера».

Суть мысленного эксперимента «кота Шрёдингера» в следующем. В закрытом ящике находится кот, счётчик Гейгера, ионизирующая частица и баллон с ядовитым газом. Если микрочастица проявит себя как корпускула, счётчик сработает, включит баллончик с ядовитым газом, и животное умрёт. Если частица поведёт себя как волна, кот будет живым.

Что можно сказать о коте, глядя на закрытый ящик? С бытовой точки зрения вероятность, что кот жив или мёртв 0,5:0,5. С позиций квантовой механики кот одновременно и жив, и мёртв и находится в суперпозиции двух состояний: живого и мёртвого кота. Это странное состояние будет продолжаться до тех пор, пока наблюдатель не проведёт измерение (заглянет в ящик) и таким образом снимет неопределённость.

Но кот не может быть одновременно и жив, и мёртв. По утверждению Шрёдингера реальность не может быть «размазана» в соответствии с волновой функцией.

Допуская применимость квантовой механики к макрообъектам, мы должны признать существование стороннего наблюдателя, от которого зависит состояние живого существа в ящике. Распространив применимость квантовой механики на Вселенную в целом, можно утверждать, что в ней существует Наблюдатель, от которого зависит состояние всех объектов во Вселенной.

Парадокс «друга Вигнера» – усложнённый парадокс «кота Шрёдингера». Его сформулировал один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике Юджин Вигнер. Суть парадокса в следующем. Друг Вигнера находится в лаборатории, там, где расположен ящик с котом. Сам Вигнер остаётся за дверью лаборатории. Когда друг Вигнера открывает ящик, он видит или не распавшуюся радиоактивную частицу и живого кота, или включённый баллончик с ядовитым газом и мёртвого кота.

До того момента, пока друг Вигнера не открыл ящик, кот для Вигнера находится в суперпозиции состояний. После открытия ящика кот переходит в одно из собственных состояний, но для Вигнера, который находится вне лаборатории, кот по-прежнему остаётся в суперпозиции состояний: он жив и мёртв одновременно. Следовательно, для самого Вигнера и его друга одновременно существуют два противоположных состояния кота, описываемые двумя разными волновыми функциями.

Приверженцы копенгагенской интерпретации утверждают, что парадокс с котом возникает потому, что его авторы и сторонники придерживаются реалистической трактовки квантовой механики. В реальном мире нет суперпозиции состояний, поэтому кот не может быть как в одном из собственных состояний (быть либо живым, либо мёртвым), так и в суперпозиции состояний (быть живым и мёртвым одновременно).

Следовательно, утверждение, что квантовая механика универсальна, противоречит заявлению, что на самом деле она неприменима к макромиру. Но, как известно, новая теория не должна противоречить существующим теориям и конфликтовать с ними.

Если для объяснения эксперимента с котом Шрёдингера применить информационную интерпретацию, можно сказать: пока кот находится в закрытом ящике, у нас имеется суперпозиция состояний – неопределённая информация о том, что кот и жив, и мёртв одновременно. После того как мы откроем ящик, наша информация изменится, и с вероятностью, равной единице, мы будем знать, жив кот или мёртв. До и после измерения в реальном мире никаких изменений не произошло. Для нас изменилась только информация, касающаяся состояния кота.

Необходимо отметить, что, по словам американского философа науки Кристофера Фукса, «квантовая механика всегда была об информации, просто сообщество физиков забыло об этом». В настоящее время имеются все основания полагать, что развитие квантовой информатики и квантовых технологий приведут к построению информационной интерпретации квантовой механики. Также не вызывает сомнений, что квантовая механика со временем трансформируется в информационную теорию микромира.

Основываясь на всем известном эксперименте с двумя щелями, польский физик-теоретик, ведущий специалист в области квантовой теории и декогеренции Войцех Зурек, в 2001 г. представил информационную интерпретацию квантовой механики. Её главная особенность в том, что в роли наблюдателя может выступать не только человек, но и объекты  окружающего мира.

В результате обмена информацией между квантовой системой и окружающей средой нарушается когерентность суперпозиционного состояния и происходит декогеренция. Окружение запутывает две части системы и распределяет квантовую когерентность среди огромного числа степеней свободы, что делает её практически ненаблюдаемой. По словам Зурека, «декогеренция и переход от квантовой области к классической (обычно рассматриваемый как нечто эзотерическое) является неизбежным следствием растворения системы в её окружении»[48 - Зурек В. Декогеренция и переход от квантового мира к классическому (с добавлением автора). – Los Alamos Science, 2002. http://www.chronos.msu.ru/old/RREPORTS/zurek_dekogerencia.pdf.].

В 2004 г. в Венском университете группа учёных под руководством Антона Цайлингера провела любопытный двухщелевой опыт по рассеянию фуллерена C

(одной из аллотропных форм углерода, молекула которого состоит из 70 атомов) на дифракционной решётке. Экспериментаторы контролируемо нагревали аргоновым лазером молекулы и таким образом изменяли их внутреннюю температуру (среднюю энергию колебаний атомов углерода внутри молекул).

Любое нагретое тело испускает тепловые фотоны, спектр которых отражает среднюю энергию переходов между возможными состояниями системы. По нескольким таким фотонам с точностью до длины волны испускаемого кванта можно определить траекторию молекулы. Чем выше температура, тем меньше длина волны кванта, и тем точнее можно определить положение молекулы в пространстве. При некоторой критической температуре точность станет достаточной для определения на какой конкретно щели произошло рассеяние.

Эксперимент показал, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, аналогичная картине, полученной в двухщелевом опыте с электронами. Лазерный нагрев приводил сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции.

Было установлено, что при температурах T<1000°K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T>3000°K – как классические тела.

Никаких детекторов в районе проведения эксперимента установлено не было. Роль детектора, выделяющего компоненты суперпозиции, выполняла окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена.

Учёные выяснили, что совершенно не важно, через что идёт обмен информацией: через специально поставленный детектор, окружающую среду или человека. Для разрушения когерентности состояний и исчезновения интерференционной картины имеет значение только принципиальное наличие информации, через какую из щелей прошла частица, а кто её получит – неважно. Фиксация или «проявление» суперпозиционных состояний вызывается обменом информацией между подсистемой (в данном случае частицей фуллерена) и окружением.

Выполненные в рамках теории декогеренции расчёты полностью согласуются с экспериментальными данными.

Эксперимент подтвердил выводы теории декогеренции о том, что в основе наблюдаемой реальности лежит нелокализованная и «невидимая» квантовая реальность, которая становится локализованной и «видимой» в ходе происходящего при взаимодействии обмена информацией и сопутствующей этому процессу фиксацией состояний[49 - Заречный М. Основы квантовой механики на примере двухщелевого эксперимента. – В кн.: Квантово-мистическая картина мира. Структура реальности и путь человека. – М.: ИГ «Весь», 2007. https://webhamster.ru/mytetrashare/index/mtb0/14968252794xd2ivpdem.].

Анализируя опыт Цайлингера, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики Псковского государственного университета (ПсковГУ) А. Н. Верхозин приходит к аналогичным выводам: «Опыт свидетельствует о том, что когерентная квантовая суперпозиция разрушается не из-за неконтролируемого возмущающего воздействия макроскопического прибора на микрообъект, как утверждается многими авторами, а благодаря информационному обмену между подсистемами – в опыте Цайлингера между молекулой фуллерена и окружающей средой. <…> Роль наблюдателя сводится к осознанию результатов опыта. Наблюдатель выступает как свидетель информационного обмена».

В своей статье Верхозин также отмечает, что аналогичный опыту Цайлингера эксперимент для фотонов, можно провести на самом простом и дешёвом оборудовании. В отличие от фуллерена, фотон не надо «подсвечивать». Достаточно пропустить луч лазера через дифракционную решётку. Регулируя ширину щели и (или) частоту лазера, можно ожидать, как в опыте Цайлингера, исчезновение и появление дифракционной картины. Но при любом соотношении длины волны лазера и периода дифракционной решётки (расстояния, через которые повторяются непрозрачные участки решётки) ничего подобного не наблюдается. Фотон – квантовая частица, и поток фотонов нельзя рассматривать как поток классических частиц, о чём многие забывают. Объясняя опыт Цайлингера, профессор Верхозин акцентирует внимание на том, что квантовые объекты, взаимодействуя с окружающей средой, обмениваются информацией. При этом он отмечает: «…сама система является носителем информации, и вопрос о её материальном носителе отпадает».[50 - Верхозин А. Н. Тепловая декогеренция (анализ результатов опыта исследовательской группы Цайлингера), 2013. https://cyberleninka.ru/article/n/teplovaya-dekogerentsiya-analiz-rezultatov-opyta-issledovatelskoy-gruppy-tsaylingera.].

Доминирует мнение, что обмен информацией (исключая искусственные информационные системы) может происходить только среди живых организмов, у которых за обработку информации отвечает мозг. При отсутствии мозга его роль выполняет нервная система, функциональными элементами которой являются нейроны.

В 2000 г. исследователь Тосиюки Накагаки и его коллеги из Университета Хоккайдо экспериментально показали, что одноклеточный слизевик вида Physarum polycephalum, не имеющий мозга и даже отдельных нервных клеток, может находить кратчайший выход из лабиринта[51 - Nakagaki T., Yamada H., Tоth А. Maze-solving by an amoeboid organism. – Nature, 2000. https://www.nature.com/articles/35035159.].

В 2010 г. международная группа исследователей из университетов Хоккайдо, Оксфорда и Хиросимы, в которую также входил Тосиюки Накагаки, на подложке из агара разложили кусочки овсяных хлопьев (лакомство для слизевика) так, чтобы те отображали точную карту городов, лежащих вокруг японской столицы. Слизевика поместили в центр, там, где расположено Токио. Примерно через сутки плесень добралась до всех лакомств, сформировав между ними разветвлённую сеть путей, поразительно напоминающую реальную схему железных дорог Токио[52 - Плесневый гриб воспроизвёл карту токийской железной дороги, 22.01.2010.  https://novostey.com/science/news197297.html. (https://novostey.com/science/news197297.html)].

Двумя годами раньше учёные из компании Hewlett-Packard во главе со Стенли Уильямсом создали в лаборатории мемристор – элемент, обладающий памятью. Мемристор изменяет электрическое сопротивление в зависимости от протёкшего через него электрического заряда. Изменение проводящих свойств происходит за счёт химических превращений в двухслойной плёнке диоксида титана толщиной пять нанометров. Устройство ведёт себя совсем не так, как обычный резистор; не поддерживает магнитный поток подобно катушке индуктивности; не накапливает электрический заряд подобно конденсатору. Мемристор как бы запоминает прошедший через него заряд, и этим чем-то напоминает нейрон.

Исследователи выяснили, что свойствами мемристоров обладают и слизевики: их отростки, тянущиеся к пище, меняют электрическое сопротивление под действием электрического тока[53 - Gale E., Adamatzky A., De Lacy Costello B. Slime Mould Memristors, 2014. https://www.researchgate.net/publication/237843115_Slime_Mould_Memristors.].

В 1978 г. Джон Уилер придумал в квантовой механике мысленный эксперимент, который смог бы показать, «чувствует» ли свет экспериментальный прибор. Реализовала воображаемый Уилером эксперимент с отложенным выбором в 2015 г. группа физиков из Австралийского национального университета в Канберре во главе с профессором Эндрю Траскоттом. В опыте, вместо фотонов, исследователи применили сверххолодные метастабильные атомы гелия.

Атомы были переведены в состояние конденсата Бозе – Эйнштейна. Конденсатом Бозе – Эйнштейна называют агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температуры, близкой к абсолютному нулю. В этом состоянии большинство атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, что позволяет наблюдать квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Затем все атомы, кроме одного, были удалены. Оставшийся атом пропустили между двумя лазерными лучами, которые сформировали решётку.

Исследователи решили выяснить: если речь идёт об объекте, который может вести себя либо как частица, либо как волна, в какой момент времени он «решает», как именно себя вести.

При первом эксперименте, после того как атом пересекал первое препятствие, на пути атома добавлялась вторая решётка из лучей лазера. После её добавления атом, как и волна, двигался по двум возможным путям.

При повторном эксперименте, когда вторую решётку из лазеров убирали, атом выбирал только один из возможных путей. Введение второй решётки определяло, появляется ли атом как частица или как волна, когда проходит через первую решётку, – будущее как бы влияло на прошлое атомов.

Решение о том, будет или нет существовать на пути атома «экран», принималось на основании работы квантового генератора случайных чисел. По релятивистским меркам генератор был разделён с атомом, и никакого взаимодействия между ними быть не могло.

Исследователи сделали вывод, что атом не мог «определиться со своей природой» до тех пор, пока не подвергся наблюдению (измерению) во второй раз. Они подчеркнули, что атом не выбирает, кем ему быть – волной или частицей. Его свойство возникает в тот момент, когда проводится измерение.