Новый мысленный эксперимент взбудоражил мир основ квантовой физики и заставил физиков уточнить, как различные интерпретации квантовой теории (многомировая или копенгагенская) заставляют отказаться от кажущихся разумными предположений, касающихся реальности

Никто не спорит с тем, что квантовая механика является успешной теорией. Она делает потрясающе точные предсказания по поводу природы мира на микроскопических масштабах. Споры, продолжающиеся уже почти сто лет, касаются того, что она говорит нам по поводу существования и реальности объектов. Есть целая куча интерпретаций, дающих свой ответ на этот вопрос, каждая из которых требует поверить определённым, и пока неподтверждённым заявлениям – то есть, предположениям – касающимся природы реальности.

Новый мысленный эксперимент бросает вызов этим предположениям и раскачивает основы квантовой физики. Он, конечно, и сам странный. К примеру, он требует проводить измерения, способные стереть любые воспоминания о только что проделанном наблюдении. С людьми это невозможно, а квантовые компьютеры могли бы провести такой странный эксперимент и, теоретически, найти различия между разными интерпретациями квантовой физики.

Если монетка не может выпасть орлом и решкой одновременно, физикам нужно отбросить простые предположения касаемо природы реальности

«Периодически возникают работы, которая порождает активные споры, размышления и обсуждения – и это как раз такой случай, — сказал

Мэтью Лейфер, специалист по квантовой физике из Университета Чапмена в Орандже, Калифорния. – Этот мысленный эксперимент добавят в канон странных вещей, встречающихся в основах квантовой физики».

Эксперимент разработали Даниэла Фраухигер и Ренато Ренер из Швейцарского федерального технологического института, и он включает в себя набор предположений, на первый взгляд вполне разумных. Однако он приводит к противоречиям, что говорит о том, что как минимум одно из предположений неверно. Выбор неверного предположения влияет на наше понимание квантового мира и указывает на возможность того, что квантовая механика – не универсальная теория, неприменимая к сложным системам, например, к людям.

Квантовая физика печально известна расхождениями в интерпретациях уравнений, использующихся для описания происходящего в квантовом мире. Но в новом мысленном эксперименте страдают сразу все интерпретации. Каждая из них противоречит тому или иному предположению. Может ли нас ждать что-то совершенно новое в поисках непротиворечивого описания реальности?

Квантовая теория прекрасно работает на масштабах фотонов, электронов, атомов, молекул, и даже макромолекул. Но применима ли она к системам, сильно превышающим размер макромолекул?

«Экспериментально мы не подтвердили применимость квантовой механики на более крупных масштабах – под крупным имеется в виду размер порядка вируса или небольшой клетки, — сказал Реннер. – В частности, мы не знаем, распространяется ли она на объекты размером с людей, или тем более на объекты размером с чёрные дыры».

Несмотря на отсутствие эмпирических доказательств, физики считают, что квантовую механику можно использовать для описания систем на всех масштабах – то есть, что она универсальна. Для проверки этого предположения Фраухигер и Ренер придумали свой мысленный эксперимент, расширяющий работу Юджина Вигнера 1960-х годов. Новый эксперимент показывает, что в квантовом мире два человека могут не согласиться по поводу вроде бы бесспорного результата, допустим, выпадения монеты, что говорит о том, что в предположениях относительно квантовой реальности чего-то не хватает.

В стандартной квантовой механике квантовая система, например субатомная частица, представлена математической абстракцией под названием волновая функция. Физики рассчитывают эволюцию волновой функции частицы во времени.

Юджин Вигнер, американский физик и математик венгерского происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике в 1963 году, одна из ключевых фигур в развитии квантовой теории.

Однако волновая функция не даёт нам точного значения свойств частицы, например, её местоположения. Даже если мы хотим узнать, где находится частица, значение её волновой функции в любой момент пространства и времени позволяет нам рассчитать только вероятность обнаружения частицы в этом месте. А до того, как мы будем искать её в этом месте, волновая функция распределена, и назначает различные вероятности нахождения частицы в различных местах. Говорят, что частица находится в квантовой суперпозиции, присутствуя во многих местах одновременно.

В общем случае квантовая система может находиться в суперпозиции состояний, где «состояние» относится и к другим свойствам, например, к спину частицы. Мысленный эксперимент Фраухигер-Ренера манипулирует сложными квантовыми объектами – возможно, даже людьми – оказывающимися в суперпозиции.

В эксперименте есть четыре действующих лица: Алиса, друг Алисы, Боб и друг боба. Друг Алисы находится в лаборатории, проводя измерения квантовой системы, а Алиса стоит снаружи, следя за лабораторией и за другом. Друг Боба находится в другой лаборатории, а Боб наблюдает за ним и за лабораторией, считая их одной системой.

В первой лаборатории друг Алисы измеряет результаты эксперимента по подбрасыванию монеты, который устроен так, что монета выпадает орлом в трети случаев и решкой в двух третях случаев. Если выпадает орёл, друг Алисы изготавливает частицу со спином, направленным вниз, а если решкой, он готовит частицу в суперпозиции, у которой спины направлены вверх и вниз одновременно в равных пропорциях.

Друг Алисы отправляет частицу другу Боба, и тот измеряет её спин. На основе результата друг Боба может сделать вывод по поводу того, что друг Алисы увидел после броска монеты. Если, к примеру, он обнаруживает частицу со спином, направленным вверх, он знает, что выпала решка.

Эксперимент продолжается. Алиса измеряет состояние своего друга и лаборатории, считая их одной квантовой системой, и использует квантовую теорию для составления предсказаний. Боб делает то же самое со своим другом и лабораторией. Первое предположение: действующее лицо может анализировать другую систему, даже сложную, в которой участвуют и другие лица, используя квантовую механику. Иначе говоря, квантовая теория универсальна, и всё во Вселенной, включая лаборатории целиком (и учёных внутри них) работает по правилам квантовой механики.

Это предположение позволяет Алисе рассматривать её друга и лабораторию как одну систему и проводить определённые измерения, которые ставят всю лабораторию, включая и её содержимое, в суперпозицию состояний. Это не простое измерение, из-за которого эксперимент и оказывается странным.

Проще всего понять этот процесс, рассмотрев единственный фотон, находящийся в суперпозиции горизонтальной и вертикальной поляризаций. Допустим, мы измеряем поляризацию, и находим, что она вертикальна. Теперь, если мы будем продолжать измерять поляризацию фотона, она всё время будет вертикальной. Но если мы измерим вертикально поляризованный фотон с тем, чтобы узнать, не поляризован ли он в другом направлении, скажем, под 45 градусов к вертикали, мы обнаружим, что существует 50% вероятность того, что так и есть, и 50% вероятность того, что это не так. Теперь, если мы вернёмся к измерению того, что мы считали вертикально поляризованным фотоном, мы обнаружим, что есть шанс, что он уже не вертикально поляризован, и приобрёл горизонтальную поляризацию. Измерение 45-градусной поляризации вернуло фотон в суперпозицию горизонтальной и вертикальной поляризаций.

Это всё прекрасно работает для одной частицы, и такие измерения были успешно подтверждены в реальных экспериментах. Но в мысленном эксперименте Фраухигер и Ренер хотят сделать нечто похожее со сложными системами.

На данном этапе эксперимента друг Алисы уже увидел, как монетка выпала орлом или решкой. Но сложные измерения Алисы приводят лабораторию, включая и друга, в состояние суперпозиции наблюдений орла и решки. В таком странном состоянии от друга Алисы больше ничего не требуется.

Ренато Ренер, физик из швейцарского института, придумал парадокс вместе Даниелой Фраухигер, покинувшей это учреждение вскоре после их совместной работы

Но Алиса ещё не закончила. На основании её сложного измерения, результат которого можно представить просто в виде «да» или «нет», она может узнать о результате измерений, проделанных другом Боба. Допустим, Алиса получает «да». Используя квантовую механику, она может вычислить, что друг Боба нашёл спин частицы направленным вверх, и следовательно, друг Алисы увидел выпадение решки.

Это наблюдение Алисы влечёт за собой другое предположение по поводу её использования квантовой теории. Она не только знает этот результат, она знает, как именно друг Боба использовал квантовую теорию, чтобы прийти к своему заключению по поводу результата броска монеты. Алиса также делает это заключение. Предположение непротиворечивости утверждает, что предсказания, сделанные разными лицами, использующими квантовую теорию, не противоречат друг другу.

Тем временем Боб может провести такое же сложное измерение своего друга с лабораторией, поместив их в квантовую суперпозицию. Ответ вновь может быть «да» или «нет». Если Боб получает «да», измерение позволяет ему заключить, что друг Алисы должен был увидеть орла на монете. Ясно, что Алиса и Боб могут проводить измерения и сравнивать свои предположения по поводу результата броска монеты. Но здесь используется ещё одно предположение: если измерения лица говорят, что монета упала решкой, тогда противоположный факт – выпадение орла – не может быть истинным.

Теперь всё готово к противоречию. Когда Алиса получает «да» в измерении, она предполагает, что монетка упала решкой, а когда Боб получает «да», он предполагает, что монетка упала орлом. Большую часть времени Алиса и Боб получают противоположные результаты. Но Фраухигер и Ренер показали, что в одном случае из двенадцати Алиса и Боб получат «да» в одном и том же случае, в результате чего они не согласятся с тем, увидел ли друг Алисы орла или решку. «В результате оба они рассуждают о случившемся событии, оба уверены в результате, но их заявления противоположны, — сказал Ренер. – Это и есть противоречие. Это говорит о том, что что-то не так».

Это позволило Фраухигер и Ренеру заявить, что одно из трёх предположений, лежащих в основе мысленного эксперимента, неверно.

«И здесь наука останавливается. Мы просто знаем, что одно из трёх неверно, и не можем убедительно доказать, какое именно нарушается, — говорит Ренер. – Это вопрос интерпретации и вкуса».

К счастью, существует вагон интерпретаций квантовой механики, и почти все из них говорят о том, что происходит с волновой функцией в момент измерения. Возьмём позицию частицы. До измерения можно говорить только о вероятности найти её где-то. После измерения частица принимает определённое положение. В копенгагенской интерпретации измерение заставляет волновую функцию коллапсировать, и мы не можем рассуждать о таких свойствах частицы, как положение, до измерения. Некоторые физики считают, что копенгагенская интерпретация утверждает, что свойства не являются реальными до момента измерения.

Такая форма «антиреализма» была чужда Эйнштейну, как и некоторым современным физикам. Как и понятие измерения, заставляющего волновую функцию коллапсировать, в особенности из-за того, что копенгагенская интерпретация не говорит, что конкретно можно считать измерением. Альтернативные интерпретации теории в основном пытаются либо выдвигать реалистичный подход – где у квантовых систем есть свойства, не зависящие от наблюдателей и измерений – или избегать коллапса, вызываемого измерением, или и то, и другое сразу.

К примеру, многомировая интерпретация принимает за чистую монету эволюцию волновой функции и отрицает её коллапс. Если квантовый бросок монеты может приводить либо к орлу, либо к решке, то в многомировом случае случается и то, и другое, просто в разных мирах. Тогда предположение о существовании одного результата эксперимента, о том, что если монетка упала решкой, она не может одновременно упасть и орлом, становится несостоятельным. В многомировой интерпретации результат броска монеты одновременно оказывается орлом и решкой, поэтому то, что Алиса и Боб иногда получают противоположные ответы, не является противоречием.

Предположение об универсальности квантовой теории нарушают интерпретации, в которых квантовые функции сложных систем спонтанно коллапсируют. Предположение о непротиворечивости нарушают такие интерпретации, как квантовый байесионизм, в которых результаты измерений зависят от точки зрения наблюдателя. Предположение о невозможности противоположных результатов нарушают многомировые интерпретации.

«Должен признать, что если бы вы спросили меня два года назад, я бы сказал, что наш эксперимент просто показывает, что многомировая интерпретация хорошо работает, и нужно просто отбросить» требование того, чтобы измерения давали единый результат, сказал Ренер.

Таких же взглядом придерживается физик-теоретик Дэвид Дойч из Оксфордского университета, узнавший о работе Фраухигер-Ренера, когда она появилась на сайте arxiv.org. В той версии работы авторы склонялись к сценарию со множеством миров (последняя версия работы, прошедшая экспертную оценку, и опубликованная в сентябре в Nature Communications, принимает более агностический подход). Дойч считает, что мысленный эксперимент всё же поддерживает многомировую интерпретацию. «Я считаю, что он, скорее всего, убьёт варианты с коллапсом волновой функции или единой вселенной, но они и так уже мертвы, — сказал он. – Не уверен, какой смысл атаковать их снова с применением более крупной артиллерии».

Ренер же изменил свою точку зрения. Он считает, что скорее всего, неверным окажется предположение об универсальности квантовой механики. Это предположение, к примеру, нарушается т.н. теориями спонтанного коллапса, которые ратуют за – как следует из их названия – спонтанный случайный коллапс волновой функции, не зависящий от измерений. Эти модели гарантируют, что небольшие квантовые системы типа частиц могут оставаться в суперпозиции почти вечно, но чем массивнее становятся системы, тем больше становится вероятность их спонтанного схлопывания в классическое состояние. Измерения просто обнаруживают состояние схлопнувшейся системы.

В теориях спонтанного коллапса квантовую механику нельзя применять к системам с массой больше пороговой. И хотя эти модели ещё только предстоит проверить эмпирически, их пока никто не опроверг.

Николас Гизин из Женевского университета отдаёт предпочтение теориям спонтанного коллапса как способу разрешить противоречие в эксперименте Фраухигер-Ренера.

«Мой выход из их затруднения состоит в том, чтобы сказать: Нет, в какой-то момент принцип суперпозиции уже не работает», — говорит он.

Если вы хотите держаться предположения универсальной применимости квантовой теории и единого варианта измерений, тогда вам придётся отказаться от последнего предположения – от непротиворечивости: «предсказания различных действующих лиц, использующих квантовую теорию, не могут противоречить друг другу».

Используя немного изменённую версию эксперимента Фраухигер-Ренера, Лейфер показал, что от этого последнего предположения, или его варианта, придётся отказаться, если копенгагенские теории окажутся верными. В его анализе у этих теорий есть общие атрибуты – они универсально применимы, антиреалистичны (то есть, говорят об отсутствии таких определённых свойств у квантовых систем, как положение, перед измерением) и полны (не существует скрытой реальности, которую теория не может описать). Учитывая эти атрибуты, его работа утверждает, что у заданного измерения нет единого результата, объективно верного для всех наблюдателей. Так что, если в лаборатории у друга Алисы щёлкнул детектор, для неё это будет объективным фактом – но не для Алисы, находящейся снаружи лаборатории и моделирующей её всю посредством квантовой теории. Результаты измерений зависят от точки зрения наблюдателя.

«Если вы хотите поддерживать копенгагенскую точку зрения, то лучшим способом будет перейти к этой версии разных перспектив», — сказал Лейфер.

Он указывает, что некоторые интерпретации, к примеру, квантовый байесианизм, или КБизм, уже приняли подход субъективности результата измерения для наблюдателя.

Ренер считает, что отказ от этого предположения уничтожит возможность действующих лиц узнавать о том, что знают другие; такую теорию можно просто отбросить, как солипсизм. Любая теория, движущаяся в направлении субъективности фактов, должна как-то переопределить способ передачи знаний, чтобы он удовлетворял двум противоположным ограничениям. Он должен быть достаточно слабым, чтобы не провоцировать парадокса, наблюдаемого в эксперименте Фраухигер-Ренера. Но он должен быть достаточно сильным, чтобы его не обвинили в солипсизме. Пока ещё никому не удалось сформулировать подобную теорию, удовлетворяющую всех.

Эксперимент Фраухигер-Ренера порождает противоречия между тремя вроде бы разумными предположениями. Попытки объяснить, как различные интерпретации квантовой теории нарушают эти предположения, были «чрезвычайно полезными упражнениями», сказал Роб Спекенс из Института теоретической физики Периметр из Канады.

«Этот мысленный эксперимент – великолепная линза, через которую можно изучить различия мнений между разными лагерями, исповедующими интерпретации квантовой теории, — сказал Спекенс. – Не думаю, что он на самом деле устранил варианты, поддерживаемые людьми до этого, но он точно выяснил, во что именно должны верить различные лагеря интерпретаций, чтобы избежать противоречий. Он помог прояснить позиции людей в связи с некоторыми из этих проблем».

Учитывая, что теоретики не могут отделить интерпретации, экспериментаторы думают, как можно реализовать этот мысленный эксперимент, надеясь прояснить проблему. Но это будет задача не из лёгких, поскольку эксперимент выдвигает странные требования. К примеру, когда Алиса проводит особое измерение её друга и лаборатории, оно помещает всё, включая мозг друга, в суперпозицию состояний.

Математически это сложное измерение эквивалентно тому, что мы сначала обращаем вспять временное развитие системы – то есть, память действующего лица стирается, а квантовая система (частица, которую оно измеряло) возвращается в первоначальное состояние – а потом проводим более простое измерение только одной частицы, сказал Говард Вайзман из Университета Гриффита из Австралии. Измерение может быть простым, но, как очень вежливо указывает Гизин,

«Обращение вспять действующего лица, в том числе его мозга и памяти, является щекотливой частью эксперимента».

Тем не менее, Гизин не отрицает, что, возможно, когда-нибудь этот эксперимент можно будет провести при помощи сложных квантовых компьютеров, в качестве действующих лиц внутри лабораторий (играющих роль друзей Алисы и Боба). В принципе, временное развитие квантового компьютера можно обратить вспять. Одна из возможностей состоит в том, что такой эксперимент воспроизведёт предсказания стандартной квантовой механики одновременно с тем, как квантовые компьютеры будут становиться всё сложнее. А может, и нет.

«Другая альтернатива состоит в том, что в какой-то момент, разрабатывая квантовые компьютеры, мы упрёмся в ограничение принципа суперпозиции, и обнаружим, что квантовая механика не универсальна», — сказал Гизин.

Лейфер же ратует за что-то новенькое.

«Думаю, что правильная интерпретация квантовой механики не будет похожей ни на одну из приведённых», — сказал он.

Он сравнивает текущую ситуацию с квантовой механикой с временами, предшествовавшими появлению Эйнштейна с его специальной теорией относительности. Экспериментаторы не нашли никаких признаков " светоносного эфира" – среды, сквозь которую световые волны, как считалось, распространяются в ньютоновской вселенной. Эйнштейн утверждал, что эфира не существует. Он показал, что пространство и время изменчивы.

«До Эйнштейна нельзя было подумать, что изменяться будет структура пространства и времени», — сказал Лейфер.

Он считает, что квантовая механика сейчас находится в сходной ситуации.

«Возможно, что мы делаем безусловные предположения по поводу того, как должен быть устроен мир, которые на самом деле неверны, — сказал он. – Когда мы изменим их, когда мы поменяем предположения, всё внезапно встанет на свои места. Надеюсь на это. Любой человек, скептически оценивающий все интерпретации квантовой механики, должен рассуждать примерно так. Могу ли я рассказать вам о подходящем кандидате на такое предположение? Если бы мог, я бы работал над этой теорией».