Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."
Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 31 страниц)
Принцип Бора является центральной составляющей копенгагенской интерпретацииквантовой механики, которая и выросла на его основе. Копенгагенская интерпретация представляет собой сеть позиций, выстроенную вокруг борновской вероятностной интерпретации волновой функции, принципа дополнительности, количественно выражаемого принципом неопределенности, и – что наиболее важно – «позитивистским» взглядом на природу, в котором единственными элементами реальности являются результаты измерений, полученных на приборе, подчиняющемся классическим принципам. Измерение является нашим единственным окном в природу, и все, что получено не через это окно, является просто метафизической спекуляцией и не заслуживает рассмотрения в качестве реальности. Таким образом, если ваш лабораторный прибор приспособлен для исследования волновых характеристик «частицы» (например, для демонстрации дифракции электронов), то обоснованным для вас будет использование волновых терминов. С другой стороны, если ваш лабораторный прибор приспособлен для исследования корпускулярных свойств «частицы» (например, для установления места попадания электрона на фотопластинку), для вас будет уместным использовать язык частиц. Ни один инструмент не может измерять как волновые, так и корпускулярные свойства одновременно, поэтому эти свойства дополнительны. По существу это был взгляд Гейзенберга, поскольку он считал, что квантовая механика есть просто способ согласования различных экспериментальных наблюдений и ничего не сообщает о лежащей за ними реальности: для него и для других истовых адептов Церкви копенгагенцев данные наблюдений есть единственная реальность.
Мы сосредоточимся на одном аспекте копенгагенской интерпретации, на акте измерения. Измерение является решающей составляющей при рассмотрении интерпретации квантовой механики не только из-за его позитивистского характера, и того, что оно породило больше статей, замешательства и огорчений, чем любой другой аспект этой теории. Оно является решающим для копенгагенской интерпретации потому, что эта интерпретация настаивает на роли инструментов измерения в наших попытках раздразнить реальность. Но какую бы интерпретацию ни давать квантовой механике, приходит момент, когда мы должны сопоставить ее предсказания с наблюдениями, поэтому понимание границы, разделяющей предсказание и наблюдение, имеет решающую важность и значимость.
Здесь мы подошли, возможно, к наиболее трудному, но центральному моменту интерпретации квантовой механики. Я попытался упростить предмет насколько возможно, не теряя существа обсуждения. Я весьма чувствителен к изяществу аргументации и сделал все, что было в моих силах, чтобы она была, насколько возможно, прозрачной. Если дела пойдут слишком туго, без колебаний прыгайте к следующей главе, ведь все, что следует дальше, не зависит от обсуждаемого здесь.
В самом широком смысле акт измерения дает изображение квантово-механического свойства на выходе макроскопического прибора. Этот выход обычно называют «показанием стрелки», но термин можно использовать и для обозначения выходных данных любой крупномасштабной системы, таких как число, появившееся не экране монитора, значок, напечатанный на бумаге, щелчок, услышанный ухом или даже обнаружение в ящике мертвой кошки. Копенгагенская интерпретация настаивает на том, что измерительный инструмент действует классически, поскольку он должен отображать квантовый мир в терминах величин, доступных восприятию таких великанов, как мы. Хотя копенгагенская интерпретация доминировала много лет, не в последнюю очередь за счет влияния Бора, она ни в коей мере не является повсеместно принятой. Ахиллесовой пятой ее мясистой подошвы является именно эта попытка настоять на особом статусе измерительного прибора. Альтернативным является утверждение, что измерительные приборы также действуют на основе квантовых принципов; мы исследуем этот вариант позднее.
Предположим, у нас есть детектор, который включает красный свет, если электрона нет, и зеленый, если электрон присутствует. Электрон описывается волновой функцией, которая распределена в пространстве и, как мы видели, будучи возведена в квадрат, сообщает нам в каждой точке пространства вероятность того, что электрон будет там обнаружен. Если мы поместим наш детектор в область, где мы ожидали найти электрон, мы с большей вероятностью получим зеленый свет там, где волновая функция больше, чем там, где она меньше, и квадрат волновой функции будет сообщать нам вероятность (например, один раз из десяти) того, что мы получим зеленый свет.
Если, когда мы вставляем детектор, загорается зеленый свет, то мы с определенностьюзнаем, что частица находится в этом положении. Непосредственно перед регистрацией этого события мы знаем только вероятность того, что электрон находится там. Поэтому, в самом реальном смысле, волновая функция сжалась от формы, размазанной по пространству, до острого пика, расположенного в месте нахождения детектора. Изменение волновой функции в результате измерения с помощью классического прибора называется коллапсом волновой функции. Когда бы мы в качестве наблюдателей ни осуществили наблюдение, волновая функция коллапсирует к определенному положению, соответствующему показанию стрелки (в данном случае, переключателя, контролирующего свет), которое мы наблюдаем. Это вмешательство в систему, по-видимому, вызывающее коллапс волновой функции в отдельную точку, является центральной концепцией и в то же время трудностью копенгагенской интерпретации, а также центральной проблемой, касающейся связей между вычислением и наблюдением. Оно также является источником той точки зрения, что квантовая механика устраняет детерминизм, причинную связь между настоящим и будущим, поскольку в квантовой механике, как утверждается, нет никакого способа предсказать до проведения измерения, коллапсирует или нет волновая функция в некоторую частную точку, а возможно лишь вычисление вероятности того, что это произойдет.
Здесь я должен ввести три технических детали квантовой механики, так как они являются центральными в проблеме измерений и в ее решении. Я сделаю это с помощью изрядно заезженной проблемы кошки Шредингера.В этой квантовой метафоре Шредингер вообразил кошку, заключенную в непрозрачный ящик вместе с прибором, способным испускать яд, запускаемым радиоактивным распадом. Радиоактивный распад случаен, и на данном интервале времени распад произойдет или не произойдет с равной вероятностью. Согласно квантовой механике это соответствует тому, что состояние кошки представляет собой смесь в равных долях ее живого состояния и мертвого состояния (рис. 7.12), и мы можем записать: [33]33
Выражать состояния таким способом может показаться наивно, но в квантовой механике сформулирован ряд правил, сообщающих, как обращаться с выражениями такого типа и как получать точные количественные заключения. Не позволяйте кажущейся банальности этих символических выражений одурачить вас.
[Закрыть]
Состояние кошки = живое состояние + мертвое состояние.
Эта сумма является аналогом суперпозиции волновых функций, которую мы использовали при построении волнового пакета, с единственной разницей, что вместо складываемых состояний импульса здесь фигурируют состояния кошки. Построение настоящих волновых функций было бы гораздо более сложным, но нам этого делать не придется.
Рис. 7.12.Кошка Шредингера. Живая кошка заперта в непрозрачном ящике вместе с гнусным прибором, который убивает или не убивает ее. До того как мы открыли ящик, была ли кошка суперпозицией живой и мертвой кошек? Когда волновая функция коллапсирует в то или иное состояние?
Описание состояний как суперпозиций является корнем всех бед в квантовой механике, ибо, в частности, кажется, что нет способа предсказать, получим ли мы при следующем наблюдении кошки результат «она жива!» или «она мертва!». Как только мы открываем ящик, мы немедленно узнаем, жива кошка или мертва, поскольку, в некотором смысле, волновая функция кошки коллапсирует к одной или другой из волновых функций, соответствующих этим состояниям. Но в какой момент коллапсирует волновая функция кошки? Перед тем как мы открыли ящик? В момент открытия ящика? На долю секунды позже, когда наш ум регистрирует, жива кошка или мертва? Когда кошка подумает, что она умерла? Квантовая механика лишь задает правила, по которым могут быть предсказаны вероятности обнаружения этих состояний. Кажется, что из физики вытек весь детерминизм, кажется, что квантовая механика капитулировала и отдала себя в руки Бога. Этим был глубоко обеспокоен Эйнштейн, что заставило его назойливо часто возражать «Бог не играет в кости». Бор отметал этот критицизм, замечая, что причинность является, так или иначе, классическим понятием и дополнительна (в несколько смутном и неясно определенном смысле) к пространственному описанию положений частицы. То есть, согласно Бору, либо вы выбираете классическую физику и наслаждаетесь опьяняющим превосходством причинности, либо выбираете квантовую механику, но ценой, которую вы платите за это, будет причинность.
Мы можем ввести второе важное замечание, представив себе более агрессивный вариант метафоры Шредингера, в котором кошка бывает не отравлена, а застрелена. Когда в кошку производится выстрел в звуконепроницаемом ящике, состоянием прибора сначала является кошка× пуля в стволе. Ружье заставляет стрелять тот же случайный прибор, что и прежде, поэтому пуля с равными вероятностями находится в полете или еще в стволе. На этой стадии состояние системы имеет вид:
Состояние системы = кошка × пуля в стволе + кошка × пуля в полете.
Сразу после этого, когда пуля попадает в кошку (а это неизбежно, если пуля вылетела), создавая мертвую кошку, или остается в стволе, сохраняя кошку в живых, система принимает вид:
Состояние системы = живая кошка × пуля в стволе + мертвая кошка × пуля в кошке.
Это пример смешанного состояния, в котором состояния кошки и пули спутаны и переплетены. Если это истинное состояние системы, то мы можем ожидать, что существуют некие причудливые эффекты интерференции между двумя состояниями системы. Что же на свете может быть интерпретацией такого описания? Что может означать результат интерференции между волновыми функциями мертвой и живой версий кошки и различных положений пули?
Давайте сначала рассмотрим вопрос о квантово-механической интерференции между различными состояниями. При этом мы введем третью важную идею, декогеренцию. Это, возможно, наиболее тонкая часть всей аргументации, и я сделаю все, что в моих силах, чтобы держать это понятие в поле зрения. Кошка не является отдельной изолированной частицей. Она состоит из триллионов атомов, и ее полная волновая функция является очень сложным комплексом функций, описывающих положения всех этих атомов. Два состояния, вносящие вклад в систему ( живая кошка × пуля в стволеи мертвая кошка × пуля в кошке), эволюционируют во времени, в соответствии с уравнением Шредингера, весьма по-разному и крайне быстро. В течение мельчайшей доли секунды волновая функция мертвой кошки становится совершенно отличной от волновой функции живой кошки, и интерференция между волновыми функциями живой и мертвой кошек полностью исчезает. В результате система не показывает никаких эффектов квантово-механической интерференции, и у нас есть либо мертвая кошка, либо живая кошка, а не потешная суперпозиция двух состояний.
Но какое же из состояний мы обнаружим? Умалчивает ли квантовая механика о предсказании результата нашего эксперимента? Потеря причинности и детерминизма, лесов и фундамента науки и понимания, кажется многим слишком дорогой ценой, особенно когда аргументы являются скорее чьим-то мнением и философскими предпочтениями, чем аргументами математическими или обусловленными экспериментом. Одно из возможных решений вырастает из предположения Эйнштейна, что квантовая механика неполна, в том смысле, что существуют скрытые параметрыили характеристики частиц (включая кошек), которые от нас скрыты, но тем не менее влияют на их поведение. Так, скрытые параметры могут предписать частице вдруг возникнуть в некотором месте, в то время как квантовая теория может предсказать только вероятность ее появления там и не способна уловить скрытые параметры, контролирующие действительный результат. Тогда можно было бы предполагать, что оперирование этими скрытыми параметрами и получение точных предсказаний результатов наблюдения, а не просто их вероятности, является задачей еще не открытой более глубокой теории, лежащей за квантовой механикой.
Подтверждение или опровержение существования непознаваемых пока скрытых параметров может казаться делом недоказательных метафизических дебатов в большей степени, чем научного решения. Однако Джон Белл (1928-90) в выдающейся, простой и основополагающей статье, опубликованной в 1964 г., продемонстрировал, что существует экспериментальное различие между квантовой механикой и ее модификациями, содержащими скрытые параметры, и поэтому вопрос может быть решен раз и навсегда. Более точно, Белл показал, что предсказания квантовой механики отличаются от предсказаний теорий с локальнымискрытыми параметрами. Локальные скрытые параметры вполне соответствуют своему названию: локальные параметры можно отождествить с текущей локализацией частицы, что кажется разумным требованием для того, чтобы они обладали свойством локальности. Теорема Белла не касается нелокальныхскрытых параметров, когда поведение частицы здесь зависит от характеристик, помещенных где-то в другом месте; это может показаться странной возможностью, но квантовая механика учит нас, что нельзя, сидя в кресле, с легкостью отметать странности. Теорема Белла является теоретическим, хотя и сильным результатом, но она была проверена в серии экспериментов возрастающей изощренности. В каждом случае результат соответствовал квантовой механике и не соответствовал любого рода теории с локальными скрытыми параметрами.
Итак, если квантовая механика действительно полна, по крайней мере в терминах локальных свойств, должны ли мы действительно отказаться от причинности? Был предложен ряд альтернатив. Одним из наиболее радикальных – и поэтому чрезвычайно притягательных если не для ученых, то для журналистов – предложений была неудачно названная интерпретация «множественных миров», которую в несколько темной форме предложил непрерывно куривший, разъезжавший с гудками на «кадиллаке» мультимиллионер и аналитик ядерных исследований Хью Эверетт (1930-82) в 1957 г. в своей докторской диссертации. Центральной, как бы наивной и с виду безвредной идеей в предложении Эверетта, была идея, которую презрел Бор: идея о том, что уравнение Шредингера универсально справедливо и контролирует эволюцию волновой функции, даже когда частица взаимодействует с измерительным прибором. Множество возвышенных замков было построено на фундаменте этой идеи и сделанных Эвереттом замечаний по поводу ее очевидных следствий.
В замке, захватившем воображение публики, все вероятности, выражаемые волновой функцией, действительно реализуются (так, что кошка действительно и жива и мертва), но когда производится измерение и состояние обнаруживается, эта реализация расщепляет Вселенную, и из бесконечного числа параллельных Вселенных (одни с мертвой кошкой, другие с живой) выбирается только одна. По существу, взаимодействие измерительного прибора с мозгом наблюдателя выбирает ответвление, по которому Вселенная будет двигаться. Вселенную расщепляет каждое наблюдение, так что огромное и растущее множество параллельных миров в разных мозгах следует различными путями. Трудно представить себе более расточительную интерпретацию, но поскольку неприязнь не является инструментом научного отбора, некоторые принимают эту интерпретацию всерьез. В отличие от теоремы Белла, по-видимому, не существует способа проверить, действительно ли ум вовлекается в акт наблюдения, если не считать одного, однажды предложенного эксперимента. Поскольку этот эксперимент требует, чтобы наблюдатель покончил с собой, до его осуществления дело пока не дошло.
Мы (за исключением закоренелых копенгагенцев) должны отличать безупречную, по-видимому, идею Эверетта о том, что уравнение Шредингера приложимо к макроскопическим объектам, от интерпретаций, построенных на этой точке зрения, так что вы должны быть очень осторожны, определяя, какой аспект интерпретации «множественных миров» вы имеете в виду, когда просите кого-нибудь сообщить, является ли он многомирцем. Я думаю, честно будет признать, что большинство физиков сегодня принимает «постную» версию интерпретации «множественных миров», гласящую лишь об универсальности уравнения Шредингера, но некоторые присоединяются и к более субъективным оттенкам, которые добавились к этой интерпретации. «Универсально шредингеровский взгляд» противоречит копенгагенской интерпретации, которая утверждает неприятную мысль, что квантовая механика в чем-то неверна, когда ее прилагают к макроскопическим ансамблям атомов, которые мы называем измерительными инструментами. Эта позиция, по-видимому, является чрезмерно капитулянтской, и трудно понять, как квантовая механика может постепенно слепнуть или даже резко переключаться на другую теорию, когда число атомов, входящих в систему, возрастает. Определенно верно, что макроскопические объекты в очень хорошем приближении ведут себя в соответствии с классической физикой: но мы знаем, что это поведение является просто проявлением квантовой механики в приложении к большому числу атомов.
Давайте задержимся на «универсально шредингеровском взгляде» и посмотрим на его проблемы и следствия. Мы остаемся с возможностью того, что простейший сценарий адекватен: квантовая механика полна, локальные скрытые параметры отсутствуют, и она с исчерпывающей полнотой описывает тела, состоящие из любого числа частиц. Коллапс волновой функции, таинственная компонента копенгагенской интерпретации, тоже оказывается за бортом, так как универсальное уравнение Шредингера должно будет каким-то образом учитывать все изменения, которым подвергается волновая функция, включая видимый коллапс, происходящий при измерении. Как тогда, при этих условиях, сможем мы сохранить причинность и детерминизм в рамках квантовой механики и, в частности, в процессе измерения?
Успех декогеренции в устранении квантово-механической интерференции между живой и мертвой версиями кошки заставляет предположить, что и здесь декогеренция является тем рыцарем в белых доспехах, который нам необходим. Живая или мертвая кошка есть сложное показание стрелки. Раз это так, давайте упростим проблему, вообразив примитивный измерительный прибор, состоящий из мячика, покоящегося на вершине бугра между двумя ямами. Легчайший толчок отправит мячик в одну из двух ям, и наблюдая, в которой из ям мячик приземлился, мы можем определить, получил ли мячик легкий толчок налево или направо (рис. 7.13). Этот прибор является усилителем толчков, и это сущностная характеристика всех измерительных приборов: они все являются усилителями толчков. Если нам хочется, мы можем приклеить в левой яме этикетку «мертвая кошка», а в правой «живая кошка». Кошка является тогда усилителем положения пули: я оставляю для вас задачу перевода с языка шредингеровской кошки-индикатора на язык стилизованного упрощения «мячик на бугре».
Рис. 7.13.«Бугор-усилитель», который кратко иллюстрирует проблему измерений в квантовой теории. Мячик на вершине между двумя ямами находится в состоянии «готовности». Если бугор посылает его направо, то в отсутствие трения он будет кататься взад и вперед между двумя ямами, и мы будем обнаруживать его в левой яме так же часто, как в правой. Однако, если присутствует трение (символизирующее декогеренцию и указанное столбиками справа), мячик остановится в правой яме, и мы получаем жизнеспособный измерительный прибор.
Как мы упоминали ранее, это прибор бесполезен, поскольку мячик, который свалился в левую яму, подскочит по противоположной стенке, снова упадет и перепрыгнет бугор. Мячик остановится в яме, в которую упал сначала, только если существует трение, рассеивающее его энергию. Именно трение ловит мячик в его яме и дает нам возможность проверить на досуге показание нашего прибора. Теперь у нас есть жизнеспособный измерительный прибор, и жизнеспособным его делает трение, то есть взаимодействие системы с ее окружением.
Трение является аналогом декогеренции. (Это утверждение требует акта веры с вашей стороны: я снова пытаюсь скорее интерпретировать математические формулы, чем оправдывать каждый шаг.) Мы можем думать о катящемся шаре как о чистой частице Шредингера, подчиняющейся контролю его уравнения. Начальным состоянием измерительного прибора является равновесие шара на вершине бугра; мы назовем это состояние готовностью прибора. Предположим, что частица, состояние которой определяет детектор, находится в состоянии, являющемся суперпозицией движения влево, которое мы будем называть частица, движущаяся влево, и движения вправо, которое мы обозначим частица, движущаяся вправо,тогда до определения состояния системы:
Начальное состояние = готовность прибора × (частица, движущаяся влево + частица, движущаяся вправо).
Когда частица ударяет по детектору, мячик переходит в суперпозицию положений в левой и правой яме, что дает:
Конечное состояние = мячик слева + мячик справа.
Однако, поскольку мячик связан с окружением посредством трения, происходит очень быстрая декогеренция этих двух состояний, и мы никогда не наблюдаем никакой интерференции между ними: фактически мячик находится либо на правой стороне, либо на левой – суперпозиция распалась на два, в сущности классических, состояния.
Существует еще вопрос о том, где находится мячик на самом деле, в правой или в левой яме? Нам нужно вспомнить, что в состоянии готовностион деликатно уравновешен на вершине бугра так, что может скатиться в любую сторону. Это просто другой способ сказать, что детектор очень чувствительный и не имеет предпочтений. Теперь надо вспомнить, что и сам мячик не полностью изолирован от своего окружения, а подвергается вибрации, ударам молекул воздуха, легкому прикосновению случайно залетевшего фотона, и так далее. Когда частица, состояние которой определяется, ударяет по мячику и побуждает его скатиться в ту или иную сторону, сочетание воздействий, запускающих движение в обе стороны с равной вероятностью, и локальное возмущение, которое может действовать в любом направлении, запускают движение в определенную сторону. В результате суперпозиция развивается в сторону скатывания мячика лишь в одну из ямок, где его немедленно ловит декогеренция.
Поэтому сущностным свойством измерительного прибора является не требование, чтобы он был классическим, и для него были недействительны предписания уравнения Шредингера (как утверждает копенгагенская интерпретация), а то, что он является макроскопическим квантово-механическим прибором, погруженным в свое окружение.
Я коснулся лишь поверхностных аспектов квантовой механики. Существует несколько выводов из этого рассмотрения, которые следует намотать на ус, и здесь я попытаюсь дать их обзор.
Во-первых, мы больше не должны думать о волнах и частицах как о различных сущностях. Если мы думаем в терминах частиц, нам приходится думать в терминах их положений. Если мы думаем в терминах волн, нам приходится думать в терминах их длин и, следовательно, из соотношения де Бройля, в терминах импульсов. Принцип неопределенности выражает эту сущностную дополнительность, предупреждая нас, что определение корпускулярных свойств (положения) препятствует определению волновых свойств (импульсов). Простое, детерминистическое описание мира может быть получено, только если мы отказываемся от одной или другой из этих модальностей мышления.
Свойства частиц (как мы согласились называть эти сущности, имеющие характер хамелеона) вычисляются путем решения уравнения Шредингера. Решения этого уравнения содержат всю динамическую информацию о частице, такую как вероятность ее обнаружения где-либо или вероятность какой-либо скорости ее движения. Эти решения объясняют также все наблюдения, которые требуют в первую очередь квантово-механических формулировок, такие как дифракция частиц и существование квантовых энергетических уровней, которые ввели Планк, в связи с излучением черного тела, и Эйнштейн, в связи с атомами в твердых телах. Реализация уравнения Шредингера – нахождение его решений и, таким образом, предсказание свойств объектов – может быть достигнута почти автоматически, и нету никаких сомнений в том, что квантовая механика является глубоко надежной теорией.
Место, где квантовая механика становится странной, находится на границе между микроскопическим и макроскопическим, поскольку результаты измерений, видимо, предполагают, что квантовая механика является полностью вероятностной и устраняет детерминизм. Это не вполне так. Волновые функции эволюционируют вполне детерминистически, следуя уравнению Шредингера. Детерминизм отсутствует в предсказании результатов измерений. Одно из решений этой проблемы, неполнота квантовой механики в смысле существования скрытых параметров, которые управляют реальным результатом наблюдения, но лежат невидимые под поверхностью теории, не является приемлемым, поскольку такая теория несовместима с результатами проводившихся экспериментов. Копенгагенская интерпретация утверждает, что уравнение Шредингера должно здесь сменяться таинственным процессом, называемым коллапсом волновой функции. Однако весьма неправдоподобно, что квантовая механика имеет область компетенции, которая перестает действовать, когда система становится более сложной. Современная точка зрения состоит в том, что уравнение Шредингера справедливо всегда и что слабые воздействия, поступающие из запутанного окружения, достаточны для объяснения всех наблюдений. Кое-кто, однако, категорически не согласится с этой точки зрения. Замечание Ричарда Фейнмана, процитированное под заголовком этой главы, все еще остается очень верным.
