Человек и квантовая теория: существует ли то, что мы не наблюдаем

Хайтек» перевел и адаптировал статью Scientific American, чтобы понять, насколько преждевременны выводы о наличии коллапса волновых функций и какие эксперименты доказывают их и опровергают.

Человеческое сознание влияет на квантовый мир?

Демонстрация, опровергнувшая предположения великого Исаака Ньютона о природе света, была ошеломляюще проста. Это «можно с легкостью повторить, где бы ни сияло солнце», — заявил английский физик Томас Юнг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая то, что сейчас известно, как эксперимент на двух щелях, или опыт Юнга. Юнг не искал сложных путей и не сделал из своего опыта фиглярское шоу. Он просто придумал элегантный и решительный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света на примере обычных подручных материалов, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет сделан из корпускул или частиц.
 
Опыт Юнга (эксперимент на двух щелях) — эксперимент, проведенный Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света.

В опыте пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Ширина прорезей приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Интерференция света доказывает справедливость волновой теории.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понимание, что свет сделан из крошечных, неделимых единиц или квантов энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, демонстрировавший одиночные фотоны или даже отдельные частицы материи, такие как электроны и нейтроны, заставил человечество задуматься о природе самой реальности. Некоторые даже использовали этот эксперимент для утверждения тезиса, что на квантовый мир влияет человеческое сознание, давая умам пищу для размышления о нашем месте в онтологии Вселенной. Но действительно ли простой эксперимент может вызвать такие изменения в мировоззрении всех и каждого?

Сомнительное понятие измерения

В современной интерпретации опыта пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Он регистрирует попадание частиц, прошедших сквозь прорези. В случае фотонов это фотопластинка. По логике вещей, следовало бы ожидать, что фотоны должны пройти через одну щель или другую и накапливаться за ними.

Но это не так. Они идут в определенные части экрана, а другие просто избегают, создавая чередующиеся полосы света и темноты — так называемые интерференционные полосы. Они получаются, когда два набора волн перекрывают друг друга. Там, где волны окажутся в одной фазе, из амплитуды сложится и получится усиливающая интерференция — светлые полосы. Когда волны находятся в противофазе, возникает ослабляющая интерференция — темные полосы.

Но есть только один фотон, который пройдет через обе щели. Это похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам себя. Это не вписывается в классическую картинку.

С математической точки зрения, фотон, проходящий через обе щели, — это не физическая частица или физическая волна, а нечто, называемое волновой функцией — абстрактная математическая функция, которая представляет состояние фотона (в данном случае его положение). Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает в обе щели и новые волны исходят из каждой, распространяясь и в конечном итоге сталкиваясь друг с другом. Комбинированную волновую функцию можно использовать для расчета вероятности того, где будет находиться фотон.

Джейкоб Биамонте, Сколтех, — о том, что квантовые компьютеры могут уже сейчас

Фотон с большой вероятностью будет там, где две волновые функции создают усиливающую интерференцию, и вряд ли окажется в областях ослабляющей интерференции. Измерение — в этом случае взаимодействие волновой функции с фотопластиной — называется «коллапсом» волновой функции или редукцией фон Неймана. Этот процесс происходит во время измерения в одном из тех мест, где фотон материализуется.
 
Редукция фон Неймана (редукция или коллапс волновой функции) — мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении. Поскольку данный процесс существенно нелокален, а из мгновенности изменения следует распространение взаимодействий быстрее скорости света, то считается, что он является не физическим процессом, а математическим приемом описания.

Не существует того, что не наблюдает человек

Этот кажущийся странным коллапс волновой функции является источником многих трудностей в квантовой механике. Перед прохождением света нельзя сказать с уверенностью, где окажется отдельно взятый фотон. Он может появиться в любом месте с ненулевой вероятностью. Невозможно нарисовать траекторию фотона от источника до точки на экране. Траекторию фотона невозможно предугадать, это вам не самолет, летающий по одному и тому же маршруту из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, как и другие ученые, постулировал, что реальность с математической точки зрения не существует, пока отсутствует наблюдатель.

«Идея объективного реального мира, чьи части существуют так же, как и камни или деревья, и независимы от того, наблюдаем мы их или нет, невозможна», — писал он. Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двумя щелями, чтобы утверждать, что «ни одно элементарное квантовое явление не является таковым до тех пор, пока оно не будет засвидетельствовано окружающими («наблюдаемым», «наглядным»).
 
Вернер Карл Гейзенберг является автором ряда фундаментальных трудов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределенностей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим.

В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга — Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил. Во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта.

Джон Арчибальд Уилер ввел несколько терминов (квантовая пена, замедление нейтронов), включая два впоследствии широко распространившихся в науке и научной фантастике — черная дыра и кротовая нора.

Но квантовая теория совершенно не формулирует, что должно представлять собой «измерение». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где эта тонкая грань между классическим и ложным измерением. Это порождает появление сторонников идеи, что человеческое сознание и вызывает коллапс волновой функции. В мае 2018 года Генри Стапп и его коллеги утверждали: эксперимент с двумя щелями и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть незаменим» для осмысления квантовой теории и идеи того, что разум каждого человека лежит в основе материального мира.

Но эти эксперименты не являются эмпирическими доказательствами. В эксперименте с двумя щелями все, что можно сделать — это просчитать вероятность. Если вероятность проявляется у десятков тысяч идентичных фотонов при прохождении эксперимента, можно утверждать, что происходит коллапс волновой функции — благодаря сомнительному процессу, называемому измерением. Это все, что можно сделать.

Вне зависимости от человека

Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Например, теория де Бройля — Бома, которая утверждает, что реальность — это и волна, и частица. А фотон направляется к двойной щели с определенным начальным положением всегда и проходит через одну щель или другую. Поэтому каждый фотон имеет траекторию. Это называется распространением волны-пилота, которая проходит через обе щели, происходит интерференция, а затем волна-пилот направляет фотон в область усиливающей интерференции.

Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели. Аналогичная картина была также экстраполирована из слабых измерений одиночных фотонов.Изображение: thequantumphysics
 
В дополнение к волновой функции на пространстве всех возможных конфигураций теория де Бройля — Бома постулирует реальную конфигурацию, которая существует, даже не будучи измеряемой. В ней волновая функция определяется для обеих щелей, но каждая частица имеет четко определенную траекторию, которая проходит точно через одну щель. Итоговое положение частицы на детекторном экране и щель, через которую она проходит, определяется начальным положением частицы. Такое исходное положение непознаваемо или неуправляемо со стороны экспериментатора, так что есть видимость случайности в закономерности детектирования.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из колледжа Бирбека смоделировали теоретические варианты траекторий частиц, проходящих через две щели. В последнее десятилетие экспериментаторы убедились, что существуют такие траектории, хотя и с использованием достаточно спорного метода, так называемого слабого измерения. Несмотря на противоречия, эксперименты показывают, что теория де Бройля — Бома объясняет поведение квантового мира.
  
Биркбек (Лондонский университет) — исследовательское и образовательное учреждение с вечерней формой обучения, специализирующееся в предоставлении высшего образования. Является составной частью Лондонского университета.

Существенным в этих измерениях является то, что теории не нужны наблюдатели, измерения или человеческое участие.

Так называемые теории коллапса утверждают, что коллапс волновых функций происходит случайным образом. Чем больше частиц в квантовой системе, тем вероятнее он. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта в Венском университете проверяла эти теории, отправляя все большие и большие частицы через щели. Теории коллапса гласят, что когда частицы материи становятся более массивными, чем определенный показатель, они не могут оставаться в квантовом поле, проходящем через обе щели одновременно, это разрушит интерференционную картину. Команда Арндта послала частицу с более чем 800 атомами через щели, и перераспределение интенсивности света все же произошло. Поиск критического значения продолжается.

У Роджера Пенроуза есть своя версия теории коллапса: чем выше масса объекта в квантовом поле, тем быстрее он перейдет из одного состояния в другое из-за гравитационной неустойчивости. Опять же, это теория, не требующая вмешательства человека. Сознание здесь ни при чем. Дирк Боумистер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре тестирует идею Пенроуза с помощью эксперимента Юнга.

По сути, идея состоит в том, чтобы не просто заставить фотон пройти через обе щели, но и поставить одну из прорезей в суперпозицию — в двух местах одновременно. По словам Пенроуза, смещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо приведет к коллапсу, пока проходит фотон, что приведет к разным типам интерференционных картин. Коллапс будет зависеть от размера щелей. Боумистер работает над этим экспериментом в течение целого десятилетия и вскоре сможет подтвердить или опровергнуть заявления Пенроуза.

Квантовый компьютер раскроет загадки генетики

Если не произойдет что-либо революционное, эти эксперименты покажут, что мы пока не можем претендовать на абсолютное познание природы реальности. Даже если попытки мотивированы математически или философски. И выводы нейробиологов и философов, не согласных с природой квантовой теории и утверждающих, что коллапс волновых функций имеет место быть, в лучшем случае преждевременны, а в худшем — ошибочны и лишь вводят всех в заблуждение.

hightech.fm