Футуристическая интерпретация квантовой механики

(Популярное изложение статьи Александра Полторака «К футуристической интерпретации квантовой механики», готовящейся к публикации)

Квантовая механика (КМ) — одна из самых успешных теорий физики, выдержавшая испытание временем. Действительно, это одна из наиболее проверенных теорий, известных науке. Тем не менее, мы едва продвинулись в понимании смысла КМ с момента ее создания почти столетие назад. Индетерминистская природа теории противоречит как классической физике, так и нашей интуиции, и продолжает озадачивать физиков и философов науки сегодня, как она озадачивала Эйнштейна, который, как известно, сказал: «Бог не играет в кости со Вселенной!» Суперпозиция и запутанность, кажется, бросают вызов здравому смыслу, и все же они неоднократно подтверждались экспериментально.

Явление, известное как коллапс волновой функции, не следует из уравнения Шрёдингера и добавляется ad hoc. Это называется проблемой измерения, которая заставила некоторых физиков принять такие экстравагантные интерпретации КМ, как «Много миров» (Хью Эверетт, 1956 г.) (охарактеризованная Брайсом ДеВиттом как шизофрения с удвоенной силой (DeWitt, 1970)), только потому, что у них нет проблемы измерения.

Как я предлагал ранее (Poltorak, 2003; и 2005), многие загадки и парадоксы КМ легко понять с точки зрения относительности одновременности, впервые введенной Эйнштейном в контексте Специальной теории относительности и расширенной в этой интерпретации до квантовой физики.

Кот Шрёдингера

Кот Шрёдингера был придуман Эрвином Шрёдингером как gedanken (т. е. мысленный) эксперимент, демонстрирующий концептуальные проблемы квантовой механики, которую он помог сформулировать ранее (Schrödinger, 1935) в качестве последующего обсуждения статьи EPR (Эйнштейн, Подольский и Розен, 1935). Шрёдингер сосредоточился на парадоксальном состоянии макроскопического объекта — кота — находящегося между жизнью и смертью в размытом состоянии суперпозиции двух квантово-механических состояний, живого и мертвого. Он также сосредоточился на свойстве, которое он назвал запутанностью, которое, как он понял, находится в центре квантовой физики.

Однако парадокс, представленный котом Шрёдингера, заключается не в его подвешенном состоянии анимации — суперпозиция состояний сегодня хорошо понятна. Парадокс связан с коллапсом волновой функции из состояния суперпозиции в одно из определенных классических состояний. Более того, глубокое противоречие, выявленное этим gedanken экспериментом, — это непримиримое столкновение между пред- и постэкспериментальными предсказаниями квантовой механики.

До того, как наблюдатель откроет ящик, квантовая механика предсказывает, что кот не находится ни в одном из четырех классических состояний: он ни жив, ни мертв, ни то и другое, ни ни то, ни другое. Скорее, он находится в пятом состоянии, уникальном для квантовой механики — состоянии суперпозиции жизни и смерти. Для нас важно то, что уравнение Шрёдингера определенно исключает по крайней мере два состояния: быть живым или быть мертвым, поскольку кот ни жив, ни мертв. Однако после того, как наблюдатель открывает ящик, он находит кота в определенном состоянии — либо живым, либо мертвым. Более того, если кот провел значительное количество времени в ящике, он будет найден либо очень голодным, либо очень вонючим, в зависимости от его судьбы. Этот вывод резко противоречит предсказанию уравнения Шрёдингера.

Допустим, мы рассматриваем состояние кота вчера, в полдень, не открывая ящик. На основании уравнения Шрёдингера мы определили, что кот ни жив, ни мертв, ни то и другое, ни ни то, ни другое, а находится в состоянии суперпозиции двух состояний — жизни и смерти. Когда мы открыли ящик сегодня в полдень, мы нашли кота мертвым. Post-mortem вскрытие кота установило, что кот умер от отравления синильной кислотой примерно 48 часов назад и был мертв вчера в полдень. Итак, у нас есть это: уравнение Шрёдингера предсказало, что кот не был мертв (ни мертв, ни жив) вчера в полдень, и все же, после того, как мы открыли ящик и нашли мертвого кота, мы определили, что кот умер вчера в полдень. В этом и заключается парадокс — предсказания квантовой механики противоречат экспериментальным данным. (Копенгагенская интерпретация обходит этот вопрос, утверждая, что состояние квантовой системы является неопределенным между измерениями, и невозможно сказать, в каком состоянии находится система до ее измерения.)

Дальнейший анализ этого парадокса показывает, что он связан с трактовкой времени в квантовой физике. Хотя квантовая механика (по крайней мере, в копенгагенской интерпретации) настаивает на том, что состояние кота было зафиксировано во время наблюдения, коллапсированное состояние приходит со своей историей.

В то время как, согласно Специальной теории относительности, различие между прошлым и будущим не является абсолютным, в рамках данной системы отсчета мы можем определить прошлое как фиксированное, а будущее как неопределенное. Состояние кота вчера в полдень было неопределенным для наблюдателя и, следовательно, в (относительном) будущем наблюдателя. Сегодня, однако, после открытия ящика и коллапса волновой функции, наблюдатель коллапсировал состояние кота в определенное состояние (скажем, мертвое), тем самым переместив его в (относительное) прошлое наблюдателя. Мы видим, что до открытия ящика состояние кота вчера в полдень было в будущем наблюдателя, тогда как после открытия ящика кот вчера в полдень находится в прошлом наблюдателя. Парадокс, следовательно, заключается в противоречивой характеристике времени (прошлое или будущее) до и после эксперимента. Как будто коллапс волновой функции мгновенно переворачивает будущее в прошлое. К счастью, природа парадокса указывает на его разрешение. В конце концов, все дело во времени.

Относительность времени

Вслед за Ньютоном считалось, что время абсолютно. В 1895 году Лоренц первым выделил «местное» время, измеренное в конкретной системе отсчета, от собственного времени в предпочтительной системе отсчета, которую он связывал с эфиром. Он первым математически описал корреляцию между местным временем, используя то, что стало известно как преобразования Лоренца. С 1898 по 1905 год Пуанкаре опубликовал серию статей, в которых он объяснил преобразования Лоренца ошибкой синхронизации между местным временем (Пуанкаре, Измерение времени, 1898/1913) (Галисон, 2003) (Пуанкаре, Теория Лоренца и принцип реакции, 1900).

В 1905 году Эйнштейн отказался от эфира и его предпочтительной системы отсчета, рассматривая все инерциальные системы отсчета на равных основаниях. Самое главное, он лишил время его абсолютного статуса и пьедестала, на который его поставил Ньютон, и посчитал местное время относительным к системе отсчета, в которой оно измеряется. Эйнштейн признал, что для сравнения временных интервалов между событиями и оценки одновременности событий в разных системах отсчета часы в этих системах отсчета должны быть синхронизированы путем обмена световым сигналом.

В то время как Лоренц, Пуанкаре и Эйнштейн были в первую очередь сосредоточены на относительности движения, при этом относительность времени является следствием относительности движения, именно относительность времени является основным направлением моей футуристической интерпретации КМ. Тот факт, что время течет по-разному в разных системах отсчета, не зависит от относительного движения этих систем отсчета. Мы не можем сравнивать интервалы времени между событиями в разных системах отсчета до тех пор, пока часы в соответствующих системах отсчета не будут синхронизированы. Именно обмен информацией синхронизирует часы. Поскольку свет — это самый быстрый способ обмена информацией, в Специальной теории относительности (СТО) мы обычно говорим о синхронизации часов путем отправки светового сигнала. Как это делается, неважно. Важно то, что для синхронизации часов информация должна поступать из одной системы отсчета в другую. Относительное движение этих систем не имеет отношения к необходимости синхронизации часов, хотя относительное движение влияет на преобразование временных интервалов из одной системы в другую — замедление времени. Я утверждаю, что относительность времени является фундаментальным свойством времени и не является случайностью относительности движения.

Расширяя понятие относительности времени на квантовую физику, я предложил обобщить определение системы отсчета, подразумевая под ней систему обработки информации с эталонными часами.

Относительность времени требует синхронизации часов в разных системах отсчета, что, в свою очередь, требует обмена информацией. До тех пор, пока часы не синхронизированы, события в одной системе отсчета находятся в будущем наблюдателя в другой системе отсчета, которому ничего не известно об этих событиях. Наша интуитивная концепция времени естественным образом разделяет время на прошлое и будущее, где прошлое фиксировано, а будущее — нет. Поэтому отсутствие значимой информации о событиях в другой системе отсчета до синхронизации часов помещает эти события в будущее наблюдателя.

Синхронизация часов в квантовой механике

Я утверждал, что коллапс волновой функции связан с синхронизацией часов в двух системах отсчета, как и в специальной теории относительности. Прежде чем мы сможем сравнивать временные интервалы в двух системах отсчета в СТО, нам необходимо синхронизировать часы. Аналогичная ситуация возникает и в КМ. Квантово-механическая система и наблюдатель представляют собой отдельные системы отсчета со своими часами и временной шкалой. До синхронизации часов временная шкала квантово-механической системы находится в будущем наблюдателя, которому не хватает информации об этой системе. Синхронизация часов, осуществляемая в процессе измерения, коллапсирует волновую функцию и переводит временную шкалу квантово-механической системы в настоящее время наблюдателя.

Переход из будущего в прошлое — это процесс коллапса множества возможностей в одну-единственную реальность, подобно коллапсу волновой функции, который сводит множество возможных состояний к одному-единственному состоянию, которое мы находим в результате измерения.

Жуткое сходство между коллапсом волновой функции, вызванным синхронизацией часов, и переходом из будущего в прошлое позволяет предложить назвать этот подход время-релятивистской интерпретацией КМ, поскольку он основан на обобщении концепции относительности времени (как я опрометчиво назвал его, когда мы впервые представили эту интерпретацию на конференции в 2003 году). Однако, чтобы не вызывать путаницы с релятивистской КМ, разработанной Полем Дираком в конце 1920-х годов, я впоследствии переименовал эту интерпретацию в «Футуристическую», потому что, как вы увидите позже, многие события, вызывающие парадоксы в КМ, можно объяснить просто тем, что они происходят в будущем наблюдателя. Эта интерпретация КМ в целом основана на идее Лоренца-Пуанкаре-Эйнштейна об относительности времени, т. е. отсутствии одновременности в разных системах отсчета. В отличие от Специальной теории относительности, я не рассматриваю здесь относительность движения, а скорее относительность самого времени. Фактически, концепция относительности времени шире, чем относительность движения. В двух системах отсчета, находящихся в состоянии покоя друг относительно друга, нет замедления времени. Однако понятие одновременности не обязательно переносится из одной системы отсчета в другую. Например, наблюдатель в одной системе может воспринимать два события как одновременные, в то время как они могут не казаться одновременными наблюдателю в другой системе отсчета, если эти события не равноудалены от наблюдателя.

Хотя Лоренц, Пуанкаре и Эйнштейн рассматривали только классические системы отсчета, движущиеся относительно друг друга, я предложил экстраполировать это понятие на квантово-механическую систему и ее наблюдателя, независимо от их относительного движения. В моем определении квантово-механическая система отсчета — это замкнутая система обработки информации с часами. Общим моментом с СТО является осознание того, что часы будут показывать разное время в разных системах отсчета; и обмен информацией, т. е. акт измерения, необходим для синхронизации часов в разных системах отсчета.

Квантово-механическая система представляет собой одну систему отсчета, у которой есть своя временная шкала. Наблюдатель находится в другой системе отсчета со своими часами и временной шкалой. Таким образом, квантово-механическая система, которая является объектом измерения, и наблюдатель находятся в двух разных системах отсчета. Прежде чем их часы можно будет синхронизировать, должен произойти обмен информацией между двумя системами отсчета — это и есть акт измерения.

Коллапс волновой функции

Физикам не нравится коллапс волновой функции, потому что он не следует из уравнения Шрёдингера и добавляется ad hoc. Математикам это не нравится, потому что это делает волновую функцию разрывной функцией — с чем трудно иметь дело. Мы почему-то забываем, что сталкиваемся с довольно похожей ситуацией каждый момент нашей жизни, не поднимая шума по этому поводу. Переход между будущим и прошлым, который мы испытываем каждый момент нашей бодрствующей жизни, ведет себя точно так же.

Действительно, существует жуткое сходство между коллапсом волновой функции и переходом из будущего в настоящее и прошлое. Как объяснялось выше, будущее время характеризуется множеством аморфных возможностей или, говоря языком математики, распределением вероятностей всех возможных событий, точно так же, как квантово-механическая система характеризуется волновой функцией, которая описывает распределение вероятностей всех возможных состояний системы.

Хотя не существует общепринятой теории времени, интуитивное различие между прошлым и будущим заключается в том, что прошлое фиксировано, а будущее — нет. Настоящий момент — это точка на временной шкале, когда распределение вероятностей будущих событий коллапсирует в одно значение — единицу или ноль — в зависимости от того, происходит ли рассматриваемое событие или нет.

Это очень похоже на ситуацию, с которой мы сталкиваемся при проведении квантово-механического эксперимента: из всех возможных квантово-механических состояний мы выбираем только одно состояние, которое мы наблюдаем в эксперименте — то, что называется коллапсом волновой функции. Это сходство предполагает, что то, с чем мы имеем дело в квантовой механике, — это переход из будущего в прошлое.

Этот переход происходит потому, что до тех пор, пока нет обмена информацией между системой отсчета, связанной с квантово-механической системой, и системой отсчета, связанной с наблюдателем, временная шкала квантово-механической системы находится в будущем наблюдателя. Действительно, до проведения эксперимента нет никакой информации о состоянии квантово-механической системы, кроме того, что мы можем почерпнуть из уравнения Шрёдингера — распределения вероятностей. Поскольку будущее характеризуется отсутствием информации и, наоборот, прошлое характеризуется существованием информации, насколько это касается наблюдателя, квантово-механическая система находится в будущем наблюдателя, поскольку наблюдателю не хватает информации о ней. Когда эксперимент проводится и информация о системе получена, часы синхронизируются и, насколько это касается наблюдателя, квантово-механическая система переместилась в настоящее время наблюдателя. Это означает, что временные шкалы выровнены, и две системы теперь разделяют прошлое, настоящее и будущее.

Кот Шрёдингера: переосмысление

Давайте снова рассмотрим кота Шрёдингера. До того, как наблюдатель заглянет внутрь ящика, кот находится в будущем времени относительно наблюдателя. Поэтому нет ничего необычного в его состоянии суперпозиции — он ни мертв, ни жив, потому что, насколько это касается наблюдателя, событие, определяющее судьбу кота, еще не произошло. Как только наблюдатель открывает ящик — действие, которое позволяет обмениваться информацией, что синхронизирует часы, — кот перемещается в настоящее время наблюдателя. Неудивительно, что актуализируется только одна возможность — кот либо мертв, либо жив. Ключом к решению парадокса кота Шрёдингера является осознание того, что время течет по-разному в разных системах отсчета, связанных с квантово-механической системой и наблюдателем: то, что присутствует в изолированной квантовой системе, все еще находится в будущем для наблюдателя до тех пор, пока не будет проведен эксперимент, который синхронизирует часы и переводит квантово-механическую систему в настоящее время наблюдателя — отсюда и коллапс волновой функции, что вовсе не парадокс. Это иллюстрирует, как моя футуристическая интерпретация демистифицирует квантовую механику.

Теперь давайте сравним три возможных объяснения того, что происходит с котом Шрёдингера:

О природе времени

Законной критикой моей футуристической интерпретации было бы возражение против использования таких категорий, как прошлое, настоящее и будущее, при попытке объяснить проблему измерения в квантовой механике, когда такие временные концепции не определены четко и не вытекают ни из какой современной теории физики. Справедливо. Однако все признаки говорят нам о том, что природа времени неразрывно связана (каламбур) с квантовой реальностью. Чтобы объяснить одно, нам нужно предположить природу другого, поскольку они кажутся двумя сторонами одной медали.

По моему мнению, время существует и естественным образом делится на две области — прошлое, которое мы никогда не сможем пересмотреть, и будущее, которое мы не можем знать, с настоящим как точкой перехода между ними. Имея это в виду, мы можем сказать, что коллапс волновой функции — это переход из будущего в прошлое с измерением, выполненным в настоящем.

В качестве альтернативы мы можем принять факт коллапса волновой функции без объяснения и определить время в контексте квантовой физики следующим образом:

• будущее — это состояние системы, находящейся в суперпозиции всех возможных состояний, описываемых волновой функцией, при этом квадрат амплитуды волновой функции определяет вероятности реализации каждого состояния (обнаруженного при измерении);
• прошлое — это состояние системы в определенном состоянии после коллапса волновой функции;
• настоящее — это момент измерения; и
• стрела времени возникает из необратимости коллапса волновой функции.

Любой подход кажется законным и является делом вкуса.

Футуристическая интерпретация квантовой механики представляет индетерминизм квантовой механики как естественный индетерминизм будущего времени. Она интерпретирует коллапс волновой функции как синхронизацию часов, переводящую временную шкалу квантово-механической системы в настоящее время наблюдателя.