Забирайте собі на стіну модного Гоголя.

---

Квантова дійсність: багатоплановість життя

Квантова теорія - науковий шедевр, але фізики досі не впевнені, як її можна використовувати

Століття - це виявляється не так багато. Рівно сто років тому у Брюсселі, Бельгія, відбулася перша всесвітня конференція фізиків. Головне питання, що стояло перед фізиками на ній, може бути сформульований наступним чином: що робити з цією дивною нової квантової теорії, і чи можливо коли-небудь погодити її з нашим повсякденним досвідом, включивши її в єдине послідовне опис світу.
Це питання стоїть перед фізиками і сьогодні. Квантові частинки, начебто атомів, молекул мають дивну здатність перебувати в двох місцях одразу, обертатися за годинниковою стрілкою і проти годинникової стрілки одночасно, або миттєво впливати один на одного, коли їх розділяє половина всесвіту. Будь-яка річ складається з цих атомів і молекул, але їй недоступне те, що доступно квантових частинок. «Чому? В якому місці квантова механіка припиняє свою дію? » - запитує Харві Браун, доктор філософії University of Oxford.
Відповідь на це питання повинен все-таки з'явитися, але кожен, хто шукає відповідь на нього, шукає в ньому свої резони. Ці пошуки, наприклад, породили зовсім нову галузь науки - квантову інформатику, яка привернула до себе пильну увагу високотехнологічної промисловості та урядів. Відповідь на це питання дає нам новий погляд на проблему остаточної побудови фізичної теорії і відповідь на це питання міг би навіть допомогти зрозуміти, як виник наш Всесвіт. У свій час ці пошуки стимулював один квантовий цинік - якийсь Альберт Ейнштейн, який створив «м'яку подушку, убаюкавшую фізиків». На жаль, в квантової теорії, яку він так і не прийняв, Ейнштейн виявився безсилим. Жоден експеримент не підтвердив його передбачень. Але зараз ми повністю впевнені, що квантова теорія добре описує Всесвіт на мікроскопічному рівні. Але питання все-таки залишається, а що це все означає.
Фізики пробують відповісти на це питання, залучаючи «інтерпретації», філософські припущення, повністю узгоджуються з експериментом. Але і тут виникає питання, а яка з них справедлива. «Існує цілий зоопарк інтерпретацій», - говорить Влатко Ведрал, ділив свій час між University of Oxford та Centre for Quantum Technologies, Singapur. «Немає жодної теорії науки, яка мала б стільки способів інтерпретації експерименту. Як так? І чи буде коли-небудь зроблений вибір між інтерпретаціями?
Візьмемо, наприклад, Копенгагенську інтерпретацію, введену датським фізиком Нільсом Бором. Згідно цієї інтерпретації, говорити про місце знаходження електрона всередині атома безглуздо, поки не проведені вимірювання. Тільки коли ми провзаимодействуем з електроном, спостерігаючи його з допомогою «класичного приладу», ми будемо знати всі його характеристики і тим самим зробимо його частиною реальності.
Існує і «многомировая інтерпретація», в якій квантова невизначеність пояснюється існуванням частинки в незліченних паралельних Всесвітів. Чи можна було б віддати перевагу інтерпретацію де Бройля - Бома, в якій квантова теорія покладається неповною. Згідно з якою, у нас відсутня інформація про деякі приховані властивості частинок, знаючи які ми повністю позбулися б від невизначеності.
Існує багато інтерпретацій за типом інтерпретації Жирарди - Ріміні - Вебера, в яких існують частинки, які подорожують назад у часі. Ці інтерпретації були викликані до життя гравітаційною моделлю краху Всесвіту Роджера Пенроуза. Словом, за минулі 100 років квантовий зоопарк став переповненим і гучним місцем. Але з усього цього штовхання і метушні є тільки кілька інтерпретацій, які мають значення для більшості фізиків.

Чудовий Копенгаген
Найпопулярніша з усіх - Копенгагенська інтерпретація Бору. Її популярність пов'язана, в основному, з тим, що фізики не хочуть обтяжувати себе філософією. Питання, а що являє собою процес вимірювання і чому він може викликати зміни в тканини реальності, можуть просто ігноруватися на користь простого отримання потрібної відповіді з квантової теорії. Тому стає зрозумілим така популярність Копенгагенської інтерпретації, яку іноді називають інтерпретація «мовчи і вычисляй». «Враховуючи, що більшість фізиків тільки хочуть провести обчислення і потім застосувати отримані результати, вони усуваються від цих проблем», - говорить Ведрал.
Проте цей підхід має і негативні риси. По-перше, в рамках цієї інтерпретації ви нічого не можете говорити про фундаментальну природу реальності. Це питання потребує пошуку ситуацій, в яких квантова теорія зазнає невдачі, а де вона досягає успіху (New Scientist, 26 Червня 2010, p. 34). «Якщо коли-небудь з'явиться нова теорія, я не думаю, що це відбудеться в рамках фізики твердого тіла, в тій області, де працює більшість фізиків» - говорить Ведрал. По-друге, робота в рамках однієї інтерпретації так само означає, що навряд чи з'являться нові застосування квантової теорії. Безліч поглядів, з точки зору яких ми можемо осягати квантову механіку, може бути каталізатором для появи нових ідей. «Якщо ви вирішуєте якусь проблему, то повинні бути в змозі мислити і в рамках різних інтерпретацій» - говорить Ведрал.

Як ніде, це твердження стає очевидним в області квантової інформації. «Ця область знань навіть і не виникла, якби люди не думали про основи квантової фізики» - каже Антон Зейлингер, University of Vienna, Austria. В основі цієї галузі знань лежить явище заплутаності, коли інформація про властивості ряду квантових частинок стає розділеної між усіма ними. Результат полягає в тому, що Ейнштейн чудово назвав «схожим на привида впливом на відстані», а саме, вимірювання властивостей однієї частинки миттєво торкнеться інших, заплутаних з нею, партнерів, незалежно від того, наскільки далеко один від одного вони знаходяться.

Спочатку, певна рівняннями квантової фізики, заплутаність здавалася такою надприродною ідеєю, що ірландський фізик Джон Белл сформулював уявний експеримент, намагаючись показати, що нічого подібного у реальному світі існувати не може. З часом стало можливим провести цей експеримент, і він показав, що Белл був неправий. Цей експеримент багато сказав фізикам про тонкощі квантового вимірювання. Цей експеримент також заклав основи квантової обчислювальної техніки, коли єдине вимірювання могло б дати відповідь на тисячі, а можливо і мільйони обчислень, зроблених паралельно іншими квантовими частинками. Цей експеримент також заклав основи квантової криптографії, яка захищає інформацію, використовуючи саму природу квантового вимірювання. Зрозуміло, що обидві ці технології привернули до себе увагу урядів і промисловості, які бажають володіти найсучаснішими технологіями і не допустити їх потрапляння в неправильні руки.

Однак фізиків більше цікавить, що ці явища говорять нам про природу реальності. Результати квантових інформаційних експериментів говорять нам про те, що інформація міститься в квантової невизначеності, в самому корені реальності.
Прихильники Копенгагенської інтерпретації, представником яких є Зейлингер, бачать квантові системи, як носії інформації і виміри, зроблені на приладами, є не що інше, як спосіб реєстрації зміни в інформаційному змісті системи. «Вимір оновлює інформацію» - говорить Зейлингер. Сприйняття інформації, як фундаментальної компоненти реальності, спонукав деяких дослідників припустити, що сама Всесвіт є величезним квантовим комп'ютером.
Однак на тлі всіх успіхів, досягнутих в рамках Копенгагенської інтерпретації, є велика кількість фізиків, які хотіли б побачити й іншу сторону цих явищ. Значною мірою таке прагнення виникає остільки, оскільки точка зору Копенгагенської інтерпретації походить на штучне розділення між мікроскопічними квантовими системами і класичним апаратом, або спостерігачами, які виконують ці вимірювання.
Ведрал, наприклад, досліджував роль квантової механіки в різних біологічних процесах, витоки яких лежить поняття кванта. Таких, як фотосинтез і біологічні системи, що реагують на радіацію (New Scientist, 27 November, p 42). «Ми бачимо, що все більше систем може бути описано квантовомеханическими методами. І я не думаю, що існує чітка межа між квантовим і класичними підходами», - говорить він. Звернення до систем, що мають розміри в масштабах Всесвіту, також надало критикам Копенгагенської інтерпретації додаткові аргументи. Якщо процес вимірювання фундаментальний для формування реальності, яку ми спостерігаємо, тоді виконав вимірювання, які призвели зміст Всесвіту до буття? «Що б все це мало сенс, ми повинні були б мати спостерігача, що знаходиться зовні системи, але поза Всесвіту нічого немає за визначенням», - говорить Браун. Саме тому, каже він, космологи більш схильні до інтерпретації, створеної наприкінці п'ятдесятих років фізиком Х'ю Евереттом, Princeton University. Його многомировая інтерпретація квантової механіки каже, що реальність зовсім не зобов'язана бути прив'язаною до процесу вимірювання. Ця інтерпретація стверджує, що всі ймовірні конфігурації квантової системи реалізуються кожна у своїй власній Всесвіту. Девід Дойч, University of Oxford, фізик і творець проекту першого квантового комп'ютера, каже, що тепер він може мислити про операції комп'ютера тільки в термінах цих множинних всесвітів. Для нього має сенс тільки ця інтерпретація.

Однак і інтерпретація Еверетта піддається критиці. Тім Модлін, Rutgers University in New Jersey, вітає намагання Еверетта позбавити процес вимірювання статусу процесу, що визначає реальність. Але в теж час він не переконаний, що многомировая концепція задовільно відповідає на питання, чому деякі квантові стани більш вірогідні, ніж інші. Якщо квантова теорія говорить, що якийсь результат вимірювань в 10 разів більш імовірний, ніж інші результати, багаторазово проведені вимірювання неминуче підтверджують це твердження. Згідно Модлину, безліч світів показують, що всі можливі результати вимірювань в підсумку будуть спостерігатися, але ця концепція не пояснює, чому спостерігач найчастіше бачить саме найбільш ймовірний результат. Він стверджує, що саме цей момент є досить складною проблемою, пов'язаною з цією інтерпретацією.

Дойч стверджує, що «ця проблема була дозволена приблизно в минулому році. Шлях, по якому йшов Еверетт, говорячи про ймовірностях, був далеко не досконалим, але за ці роки теоретики кілька переглянули многомировую інтерпретацію і просунулися набагато далі. Ця проблема вирішена», - говорить він.
Відповідь на це заперечення Девіда Дечани, так і на інші питання, порушені в цій статті, було дано в 2000 році російським вченим-фізиком і математиком М. Б. Менським, запропонував нову Розширену інтерпретацію Еверетта - прим. перекладача.
Потрібно визнати, що це заперечення Дечани є досить переконливим і відповісти на нього досить складно. Очевидне узагальнення многомировой картини світу, це розуміння того, що існують багаторазові копії Вас і що Елвіс ще виступає в Лас-Вегасі в якийсь інший Всесвіту. Знайдеться дуже мало людей, які можуть прийняти і повірити в цю ідею. Браун розраховує, що єдиним виходом з цієї проблеми буде звикання до неї. «Існує широке неприйняття та небажання повірити у велике розмаїття безпосередньо Вас та інших людей» - каже він - «Але це питання тільки звикання.» Дойч розраховує, що це трапиться, коли технології почнуть використовувати і більш дивні боку квантової картини. Як тільки запрацюють квантові комп'ютери, що виконують одні й ті ж обчислення перебуваючи в різних державах, ми почнемо сприймати ці світи, як фізичну реальність. «Буде дуже важко стверджувати, що це просто така манера спілкування» - говорить Дойч.

Він і Браун стверджують, що многомировая інтерпретація вже отримує підтримку серед космологів. Аргументи на її користь починають надходити з теорії струн, космології, спостережної астрономії. Ці факти змусили деяких космологів стверджувати, що ми живемо в одній з багатьох Всесвітів. У минулому році Ентоні Агюрр, University of California, Santa Cruz, Макс Тегмарк, Massachusetts Institute of Technology, і Девід Лэйзера, Harvard University, висунули модель, яка пов'язує воєдино космологію і многомировую концепцію Еверетта (New Scientist, 28 August 2010, p 6).
Але многомировая інтерпретація є не єдиною квантовомеханической інтерпретацією, яка залучає увагу космологів. У 2008 році Ентоні Валентіні, Imperial College, London, припустив, що реліктове мікрохвильове випромінювання, що заповнила весь простір після Великого Вибуху, що могло б послужити в якості підтвердження інтерпретації де Бройля - Бома, в якій квантові частинки володіють поки ще невідомими нам, прихованими властивостями. Прийняття цієї інтерпретації дозволило б пояснити таку дивну поведінку квантового світу, залишає свій відбиток на докладних картах реліктового випромінювання. Валентіні стверджує, що наявність прихованих змінних краще б пояснило спостережувані ефекти, ніж стандартна квантова механіка. Хоча ця ідея, по своїй суті є непоганий, але на даний час просто не існує однозначних доказів її справедливості. До того ж, якщо навіть у розподілі фонового випромінювання і будуть в майбутньому виявлені які - небудь аномалії, то і вони не зможуть однозначно свідчити на користь гіпотези Валентіні. Ведрал стверджує, що будь-яка з квантовомеханических інтерпретацій може привести до досить несподіваних результатів, якщо йтиметься про стан ранньої Всесвіту. «Ми застрягли в ситуації, коли ми просто не зможемо експериментально зробити вибір між Евереттом і де Бройлем - Бомом», визнає Браун. Але при цьому він додає, що це не є причиною для песимізму. «Я думаю, що ці інтерпретації були істотним прогресом. Безліч людей стверджує, що внаслідок браку експерименту, ми не зможемо вибрати якусь інтерпретацію, але з певністю можна говорити, що деякі інтерпретації все-таки набагато ближче до дійсності».
Поки Браун, Дойч і Зейлингер відмовляються залишити їх улюблені квантовомеханічні інтерпретації. Зейлингер щасливий, що квантова теорія не дає жодних підстав для оголошення її неправильною. Ведрал повністю погоджується з цим твердженням. Хоч він і відносить себе до «клубу багатьох світів», він говорить, що вибір інтерпретації, якої потрібно дотримуватися, насправді, є справою смаку. «У більшості випадків Ви ніколи не зможете експериментально розрізнити інтерпретації, а тому повинні тільки слідувати за своїми інстинктами».
Думка про те, що фізики блукають навколо квантового зоопарку, вибираючи з нього улюблену іграшку, здається не цілком науковою, але поки це не принесло науці ніякої шкоди. Квантова теорія перетворила світ, давши йому, наприклад, транзистор і лазер, а насправді не тільки їх. Наявність великої кількості різних інтерпретацій стимулює генерацію нових фізичних ідей і змушує по-різному дивитися на експеримент. Майбутнє покаже, які уявлення про квантову природу приведуть нас до нової галузі фізики. «І це було б дійсно захоплююче» - говорить Ведрал.