Как понимать квантовую механику

изолированных квантовых систем из нескольких тысяч частиц обещает создание квантовых компьютеров. Будут ли квантовые компьютеры работать, или их теория представляет собой выход за границы применимости квантовой механики?

Также вопрос о границах применимости квантовой теории ставит перед нами квантовая статистическая физика. Как старая, так и новая копенгагенская интерпретация формально не позволяют применять квантовую теорию в статистической физике. Старая копенгагенская интерпретация отказывается работать с макросистемами, а новая копенгагенская интерпретация отказывается работать с незамкнутыми системами.

Другой постулат копенгагенской интерпретации о необходимости выделения наблюдателя также ставится под сомнение. В данном случае эта дискуссия по-прежнему далека от практики, но постепенно приобретает все¨ большую важность в фундаментальной науке. Со времен¨ Бора космология, строящаяся на основе общей теории относительности (ОТО), а также ее¨ обобщениях, постепенно все¨ в большей степени становилась наукой. В настоящее время космология умеет неплохо описывать нашу Вселенную, и ее¨ модели с удовлетворительной степенью точности согласуются с наблюдательными данными. И здесь вопрос о том, можно ли писать волновую функцию Вселенной и нужен ли при этом наблюдатель (кто?! См. рис. 9.11), становится актуальным.

Проблема усугубляется тем, что до сих пор не существует общепринятой последовательной квантовой теории гравитации12. Многие физики приходят к мысли, что создание последовательной квантовой теории гравитации потребует не менее радикального пересмотра наших физических концепций, чем создание квантовой механики или ОТО.

Некоторые эффекты ОТО, такие как поглощение частицы черной¨ дырой, являются необратимыми. Это наводит некоторых ученых¨ на мысль, что необратимость ОТО и необратимость измерения в квантовой теории связаны друг с другом. Если это действительно так, то есть надежда в рамках квантовой теории гравитации включить процесс измерения в теорию не в виде отдельного постулата, а как естественное следствие основных уравнений.

Другой взгляд на необходимость наблюдателя в квантовой механике предлагает интерпретация Эверетта (см. раздел 9.3.7).

12Хотя есть ряд кандидатов на роль квантовой теории гравитации, в число которых входят теории струн, супергравитация, М-теория, петлевая гравитация и др. Также существуют непоследовательные квантовые теории гравитации, которые в некоторых условиях позволяют предсказывать физические эффекты, но не являются самосогласованными теориями.

284 ГЛАВА 9

9.3.6. «Абстрактное Я» фон Неймана (фф)

ФОПФ так и не смогли окончить лорд Кельвин, Иоганн фон Нейман, Отто фон Герике и Герберт фон Караян, о чем¨ постоянно жалеет Ф. Ф. Каменец.

которому человек знает, в каком состоянии находится его сознание. Другая возможная трактовка: «абстрактное Я» тождественно некоторой объективной (не зависящей от наблюдателя) редукции волновой функции.

Предположение (у фон Неймана неявное), что человек знает в каком состоянии находится его сознание, представляется весьма шатким. Ско-

13Иоганн фон Нейман, Математические принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1964.

14Заметим, что основной вывод, декларируемый фон Нейманом, состоял не во введении «абстрактного Я», а в существенной произвольности границы между системой и наблюдателем.

рее, следуя Бору, который предлагал применить принцип дополнительности к человеческому сознанию, можно ожидать, что рефлексия (осознание сознательной деятельности) препятствует сознательной деятельности. Сам Бор, вероятно, не связывал эту дополнительность с квантовыми эффектами, однако многие авторы полагают, что сознание может быть существенным образом квантовым, хотя и понимают эту квантовость очень по-разному.

9.3.7. Многомировая интерпретация Эверетта (фф)

Когда мы рассматривали Кота Шредингера,¨ а потом Друга Вигнера, то мы последовательно расширяли квантовую систему, включая в нее¨ все¨ новых и новых наблюдателей: Датчик, Кота, Наблюдателя, Друга. Каждый из этих наблюдателей по мере распространения сигнала попадал в состояние, запутанное с тем, что на предыдущем этапе рассматривалось как квантовая система. Для того чтобы проследить судьбу наблюдателя, включенного¨ в расширенную систему, мы вводили следующего наблюдателя, который осуществляет измерение над предыдущим, и т. д.

Кот мертв,¨ и все наблюдатели обнаруживают

[http://space.mit.edu/]

именно такой исход. Эти два Мира практически не влияют друг на друга.

Мы можем придти к выводу, что квантовая механика не требует введения процедуры измерения. Унитарная эволюция квантового состояния дает¨ нам суперпозицию состояний (параллельных Миров), отвечающих всем возможным комбинациям исходов всех измерений. Эти Миры ветвятся при каждом измерении, но все они сосуществуют, описанные как компоненты одного состояния (волновой функции) Вселенной.

Многомировая интерпретация и антропный принцип (фф)

Еще¨ одним преимуществом, а может быть недостатком многомировой интерпретации квантовой теории является необычайная легкость¨ применения антропного принципа.

Антропный принцип — это объяснение наблюдаемых свойств какойлибо системы тем фактом, что для наблюдения нужен наблюдатель, который должен иметь возможность возникнуть, жить и наблюдать эту систему.

Например, тот факт, что наше Солнце представляет собой сравнительно небольшую, зато очень долгоживущую звезду (с общим временем жизни около 10 млрд лет), легко объясняется тем, что массивные звезды¨ живут очень мало (миллионы лет), а потому жизнь, а тем более разумная жизнь просто не успевает возникнуть на планетах, обращающихся вокруг этих звезд¨. В связи с этим мы (т. е. живые и разумные существа) обречены были возникнуть рядом со сравнительно легкой¨ звездой. Аналогичным образом объясняется то, что нам повезло жить в системе одиночной звезды, при том, что большинство звезд¨ входит в двойные и более сложные кратные системы: в кратной системе орбиты планет менее устойчивы и меньше вероятность возникновения на них разумной жизни.

Как видно на этих примерах, для применения антропного принципа нам нужен достаточно большой ансамбль систем, в которых может или не может возникать/обитать разумная жизнь. Если ансамбль достаточно велик, то сколь угодно малая вероятность успеха (возникновения разумной жизни) в каждом конкретном случае даст нам для всего ансамбля практически достоверное возникновение разумной жизни.

В многомировой интерпретации у нас есть бесконечный ансамбль параллельных Миров. Таким образом, применение антропного принципа по поводу и без повода становится легким¨ и естественным. Например, согласно мнению многих физиков фундаментальные постоянные «подогнаны» очень точно с тем, чтобы в нашей Вселенной могла возникнуть жизнь: при чуть-чуть измененных¨ константах не могут возникнуть звезды,¨ или планеты, или тяжелые¨ атомные ядра, или что-либо еще,¨ совершенно необходимое для разумной жизни, в том единственном виде, в котором мы е¨ знаем. Если предположить, что фундаментальные постоянные являются на самом деле динамическими переменными, то легко вообразить себе модель, в которой в разных параллельных Мирах будут реализованы все возможные их комбинации. С этой точки зрения попытки объяснения точной подгонки фундаментальных констант оказались бы бессмысленными. Однако возможно между фундаментальными константами существуют какие-то пока нам неизвестные соотношения. В поисках этих соотношений антропный

•Является ли сознание явлением принципиально отличным от «обычных» квантовых (унитарных) физических явлений?

•В каких еще¨ явлениях, помимо человеческого сознания, проявляются те же неунитарные эффекты?

•Как согласуется существование многих наблюдателей с тем, что они наблюдают один и тот же физический мир?

•Почему разные наблюдатели наблюдают один и тот же мир?

•Следует ли считать сознание каждого человека отдельным объектом?

•Следует ли считать, что в мире существует только одно Сознание?

•Если измерение производится именно сознанием, то может ли оно влиять на исход измерения? (Возможно ли «активное сознание»?)

•Если сознание одного наблюдателя может влиять на исход измерения, то как это будет восприниматься другими наблюдателями?

•Можно ли связать квантовые чудеса с чудесами человеческого сознания?

•Могут ли методы математического описания и физической интерпретации квантовых явлений (когда влиянием наблюдателя нельзя пренебречь) быть применены при изучении сознания (которое также реагирует на наблюдение)?

Многие вопросы сводятся к обсуждению и интерпретации парадокса Друга Вигнера. Также для некоторых вопросов можно предложить физические эксперименты, призванные на эти вопросы ответить. Такие вопросы можно обсуждать содержательно.

Роджер Пенроуз в своих книгах «Новый ум короля», «Тени разума» и др. приводит интересные аргументы в пользу своей гипотезы о связи сознания, неунитарных обобщений квантовой теории и квантовой гравитации. Пенроуз из неопределимости понятия доказательства и теоремы Геделя¨ о неполноте арифметики делает вывод, что сознание описывается невычислимым процессом. А поскольку уравнения квантовой (как и классической) физики в принципе допускают (на конечном временном интервале) численное решение с любой степенью точности, то квантовая теория

не может описывать сознание. Эти аргументы, безусловно, спорны, но их

можно содержательно обсуждать. (Также очень интересен обзор современной физики, приводимый Пенроузом в указанных книгах.)

Попытки применения в психологии методов и философии, разработанных в квантовой физике, восходят к Н. Бору (принцип дополнительности в психологии) и В. Паули (совместная работа с К. Юнгом, 1953 г.). Это направление развивается до сих пор (см., например, статью А. Ю. Хренникова «Квантовоподобный мозг на сознательном и бессознательном временных масштабах»18, где также приведена обширная библиография).

Однако большинство из приведенного¨ списка вопросов вообще не относятся к физике, соответственно большинство физиков избегает их обсуждения. Некоторые вопросы явно отдают какой-то мистикой, их обсуждение способно стимулировать разного рода «патологов» к проведению параллелей между современной физикой и разного рода мистикой/эзотерикой/теософией/астрологией. К сожалению, до авторов ненаучной фантастики (ННФ) и паранаучных фантазий (ПНФ) уже дошли обрывочные и искаженные¨ сведения о чудесах и парадоксах квантовой механики. Книги в жанре ННФ, в которых по параллельным эвереттовским мирам бродят толпы оживших мертвецов, уже написаны и продаются. Также написаны ПНФ-книги, в которых авторы, маскирующиеся под ученых¨-физиков, увязывают квантовую нелокальность с мистикой (восточной и западной), тео-

софией, реинкарнациями, телепатией, ясновидением и «торсионными полями»19.

Пример ПНФ-книги — С. И. Доронин «Квантовая магия»20. Эта книга особенно опасна для неспециалиста, потому что автор — кандидат физ.- мат. наук и старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, причем¨ входит в исследовательскую группу, которая в самом деле занимается квантовыми компьютерами. Книга содержит одновременно ссылки на вполне солидные научные работы и откровенную мистику и патологию. Из книги видно, что автор очень много читал по физике (думаю, много больше меня), но практически ничего не понял ни в квантовой теории, ни в ОТО, о которой он тоже пишет.

Если пытаться разбирать книгу Доронина по существу, то, вероятно, главной физической идеей (обсуждения разнообразной мистики слишком расплывчаты, чтобы их можно было по существу обсуждать с точки зрения

18Khrennikov A. Yu. The Quantum-Like Brain on Cognitive and Subcognitive Time Scales // Journal of Consciousness Studies. — 2008. — Vol. 15, No. 7. — P. 39–77.

19«Торсионные поля» — неоднократно разоблаченная¨ паранаучная афера, получившая широкое освещение в прессе. «Торсионные поля» не следует путать с полями кручения, которые вводятся в ряде вполне респектабельных обобщений общей теории относительности.

20Доронин С. И. Квантовая магия. — ИГ «Весь», 2007.