Онтологические прогулки

4.3 Истина как предчувствие. Очевидность невероятного  (продолжение) 

О физике, которую мы не знаем

О нелокальности и суперпозиции, или что описывает волновая функция

Строго говоря, принятая нами нелокальность квантового мира не является бесспорным физическим фактом. Просто на основании экспериментально подтверждённого невыполнения неравенств Белла по крайней мере один из трёх факторов этого неравенства (реалистичность, точнее причинность, локальность, свобода выбора экспериментатора[1]) должен не выполняться.[2] С формальной точки зрения, не важно, какой это фактор, так что выбор зависит только от личных предпочтений интерпретатора. Тем не менее, решая задачи интерпретации, приходится выбирать, чем поступиться, а так как отказаться от реализма (причинности) и свободы выбора экспериментатора мы не считаем возможным, то под удар попадает локальность. Это минимальная цена за сохранения классических представлений. Ещё раз подчеркнём: нелокальность, реализм и свобода выбора экспериментатора выбраны исходя не из соображений физической теории, а как соответствующие нашей априорной убеждённости в принципах мироустройства.

С нелокальностью связывают другой фундаментальный фактор квантовой физики, называемый неразличимостью: частицы одного типа не бывают «чуть-чуть другими», они считаются абсолютно тождественными и, по сути, представляют некий единый объект, связанный нелокальными корреляциями.[3] С другой стороны у нас нет возможности ни маркировать частицы одного типа, ни, тем более, отслеживать траектории их движения, и мы никогда не знаем, которая из них попала в поле нашего зрения, но мы знаем, что при их перестановке система не должна измениться.

Итак, исходя из принятой нелокальности объектов микромира, примем, что в физике микромира не существует понятий локальности и протяжённости, а то, что таковыми нам представляются, являются функциями энергетических взаимодействий микрообъектов. Вероятно, с точки зрения микромира пространственные представления попросту не имеют смысла, а его реальностью являются энергетические взаимодействия, которые в наших ощущениях представляются как пространственно развёрнутый мир. Нет, мир не голограмма, и нам ничего не кажется, но возможно именно так выглядит изнанка нашей реальности: за каждой такой «голограммой» – реальная сущность, а не иллюзия и не игра света. С другой стороны то, что микромир и макромир принадлежат одной реальности, сомнений вызывать не может: в конце концов, мы сами состоим из объектов микромира. Однако вследствие природы нашего восприятия мы не в состоянии воспринимать микромир как часть своего опыта. И это не наше невежество или заблуждение, а природное качество, необходимое для жизни в макромире, ведь макромир – сцена наших действий.

По существу перед нами две разные сцены одних и тех же событий, идущих по разным сценариям. Эти сценарии связанны единством реальности, и нелокальнось объектов микромира должна иметь отражение в локальности объектов макромира. Иными словами на сцене макромира объекты микромира должны быть как-то определены. Так, где же следует искать «объект X» в нашем сценарии, если мы ещё не пытались его найти? Где он находится сейчас? Сказать «нигде», не лишив его существования, мы не можем. Где-то он точно есть. Однако вряд ли правильно говорить и то, что он «везде», «размазан» по пространству,[4] а мы готовы обнаружить его в любом месте нашими неуклюжими приспособлениями. Такие представления – следствие обыденного взгляда на вещи, где всё существующее должно иметь своё место, быть пространственно определёно, а то, что своего места не имеет, то, как бы и не существует. Однако для «объекта X» наши представления о протяжённости реальностью не являются.

В то же время существует работающий математический формализм, определяющий возможное положение объекта, его волновая функция. Но волновая функция не определяет локализацию объекта однозначно, предлагая целый набор взаимоисключающих вариантов. Можно предположить, что эти варианты представляют перечень возможных состояний, одно из которых должно оказаться существующим. «Каталог возможностей», говоря словами Шредингера. Если принять такой вариант объяснения, то следует признать, что волновая функция описывает наше возможное знание и не более того, то есть имеет эпистемологический смысл. Проведя измерения, мы узнаем, какой вариант верен, а неверные варианты отбросим, просто не станем с ними считаться. Волновая функция при этом, как говорят, коллапсирует. В этом случае коллапс (иначе – редукция) волновой функции – ещё одна фикция, не имеющая опоры в реальности. Просто исключение из рассмотрения не выполненных условий. И тогда это только проблема нашего знания. Однако объект изначально не имеет реальных координат, и поэтому никакого «единственно верного варианта» быть не может. Нелокальность же позволяет соотносить его со всем набором возможных значений, предоставленных волновой функцией. Но можем ли мы утверждать, что волновая функция описывает самую что ни на есть реальность, а объект, действительно, находится одновременно во всех предложенных состояниях? Однако если попытаться обнаружить частицу во всех этих локациях, то нас постигнет неудача, как это происходит в двухщелевом эксперименте.[5] Эта «неудача» и называется редукцией волновой функции.

Двухщелевой эксперимент

В этом эксперименте корпускулярно-волновой дуализм обнаруживается наиболее явно: в зависимости от условий можно получить или интерференционную картину, свидетельствующую о волновых свойствах объекта, или же статистически ожидаемое распределение частиц. Мы помним, что никаких волн и частиц в микромире нет и перед нами неизвестный «объект X», который только проявляет волновые и корпускулярные свойства. В наших рассуждениях используем хрестоматийное описание этого опыта, которое можно найти, например, в фейнмановских лекциях по физике.[6] Нам нет необходимости входить во все технические тонкости эксперимента, а так же мы не будем приводить схему экспериментальной установки, итак хорошо известную. В общих же чертах это выглядит так: поток частиц (пусть это будут электроны) направлен на мембрану, в которой прорезаны две близко расположенных щели шириной, сравнимой с размерами частиц. Благодаря такой конфигурации установки щели становятся источниками вторичного излучения, что в случае волны должно приводить к возникновению интерференционной картины. На некотором расстоянии от мембраны расположен регистратор, который можно перемещать в плоскости параллельной плоскости мембраны и снимать зависимость распределение «частиц» от координат. Если вместо регистратора использовать фоточувствительную пластину, то можно получить «фотографию» интерференционной картины. Если закрыть одну из щелей, то интерференция исчезнет, и вместо неё мы увидим вполне ожидаемое статистическое распределение (для каждой щели P₁ или P₂ соответственно). «Объекты X» в этом случае ведут себя как частицы.

Интерференционная картина будет разрушена и при попытках определить, через какую щель прошла «частица» (фактически определить её координаты). Мы опять получим распределение вероятностей, но теперь это суммарная вероятность от двух щелей с явным максимумом между их осями: P₁₂ = P₁ + P₂. Действительно, чтобы определить через какую щель прошёл объект, его необходимо «подсветить», а фотон это тоже «частица», обладающая определённой энергией (ε=νh) и при взаимодействии энергетические параметры электрона изменятся. Очевидно, в этом всё дело. Однако «частицы», атакуемые фотонами, не разлетаются в разные стороны подобно биллиардным шарам. Вне зависимости от того, каким образом они подсвечены, мы стабильно получаем картину статистического распределения. Очевидно, здесь происходит нечто более сложное, чем просто кинетическое взаимодействие.

Эксперимент с отложенным выбором

Однако, что происходит с микрообъектом «пока мы не смотрим»? Чтобы попытаться ответить на этот вопрос рассмотрим ещё одну серию экспериментов.[7] Начнём с так называемого «эксперимента несовпадений», который был предпринят П. Грэнджером, Д. Роджером и А. Аспе с целью обнаружения корпускулярных свойств света.[8] Критерием существования фотонов, как частиц света должна быть их локальность. А так как частица по определению локальный объект, то она не может оказаться сразу в двух локациях.[9] Вот эту локальность и требовалось подтвердить. Для этого излученный объект направлялся на полупрозрачное зеркало (делитель света), расположенное на входе установки. Если объект – волна, то она частично пройдёт сквозь зеркало, а частично будет отражена и направлена по другому пути. Фотоны же должны выбирать одну из двух возможных траекторий, а датчики, установленные в конце каждого пути, срабатывать, не допуская совпадений.

В другом эксперименте, проведённом этой же группой, использовался интерферометр Маха-Цандера, который от первой установки отличался наличием второго полупрозрачного зеркала, установленного в конце путей, там, где они пересекаются. Эксперименты с интерферометром показали, что объект проходит по обоим путями и после второго зеркала интерферирует практически сам с собой. Объект ведёт себя как волна. Можно подумать, что добавление второго зеркала превратило «частицу» в волну. Как и когда произошла эта метаморфоза (и произошла ли она вообще) сказать трудно. Чтобы ответить на этот вопрос Джон Уиллер предложил мысленный эксперимент, известный как «эксперимент с отложенным выбором». По условиям эксперимента конфигурация установки определяется тогда, когда объект уже прошёл делитель на входе и начал свой путь по одному из двух возможных путей. По идее эксперимента объект необходимо запутать, заставить совершить ошибку. Так как квантовая механика требует однозначности состояния объекта по принципу «исключённого "или"» (или волна, или частица, но не одновременно волна и частица), то добавление второго делителя не должно изменить поведение объекта. Поэтому если выбор «кем быть»[10] делается объектом в начале пути, то будет получен ошибочный результат, и датчики сработают по устаревшему варианту. Если ошибки не будет, то встанет вопрос, как объект «узнал» о предстоящем «обмане», и заранее изменил своё поведение. Конечно, так как убрать или установить зеркало за единицы наносекунд невозможно, то реальные установки довольно сильно отличаются от предложенной Уиллером. За прошедшие десятилетия (с 1984 года) было проведено значительное количество экспериментов с отложенным выбором, однако обмануть свет так и не удалось.[11]

Вопрос даже не в локальности/нелокальности. Выходит так, что объект, который двигался по выбранному пути и демонстрировал свою локальность, после установки второго зеркала, появился и на другом пути, там, где его сначала не было. Уиллер для объяснения этого парадокса предложил два крайне не логичных варианта.[12] Во-первых, можно предположить, что изменение конфигурации повлияло на события в прошлом, отправив фотон по второму пути задним числом. Как писал Уиллер, «…мы имеем странную инверсию нормального порядка времени. Оставляя или удаляя зеркало, получаем неизбежное влияние на прошлую историю фотона».[13] Альтернатива такому вопиющему нарушению причинности заключается в отсутствии у объекта реальных свойств до измерения: якобы реальные свойства у объекта появляются только при измерении.[14] Ну а что показали эксперименты по Уиллеру для нашего «объекта X»? Только то, что при одной конфигурации установки объект проявляет одни свойства, при другой – другие.

Итак. На выходе установки мы обнаруживаем соответствующий её конфигурации объект, такой, какой и должен быть на данный момент. В чём тогда проблема? Проблема в противоречии с «принципом исключающего "или"», заданным квантовой механикой со строгостью категорического императива. Но мы, заменив «волну-или-частицу» «объектом X», можем утверждать, что сам объект не меняется. Меняется только его обнаружение в макромире.[15] И надо сказать, такая ситуация выглядит более реалистично. Можно сказать так: акт измерения связал объект, и он оказался локализован в пространстве. «Объект X» нашёл своё место в макросценарии. Только после этого можно говорить о частице с известными координатами. Очевидно, это происходит не в силу факта наблюдения, а в силу связанного с наблюдением изменения состояния объекта. Но пока объект не определён, сохраняется возможность обнаружить его в любых координатах, предоставленных волновой функцией. И это реальное положение вещей, обусловленное нелокальностью объекта и возможностью его обнаружения в макромире. Волновая функция, оставаясь каталогом возможностей, приобретает онтологический (или как теперь говорят «онтический») статус.[16]

Итак, волновая функция больше чем просто статистическое ожидание квантового состояния и в определённой степени описывает физическую реальность. То есть состояние физической системы таково, что мы можем ожидать реализацию любого конкретного квантового состояния из «каталога». Это не означает, что «объект X» находится одновременно в каких-то взаимоисключаемых состояниях. В отношении макромира он ещё не находится ни в каком состоянии. Иными словами, суперпозиция[17] реальностью не является. Тем не менее, у происходящего есть надёжные онтологические основания. Тогда волновую функцию можно определить как отражение пространственной неопределённости нелокального объекта в локализованном пространстве макромира. Редукция волновой функции происходит в момент локализации объекта при измерении, и тоже имеет онтологические основания. Напомним, что началом пути к этому утверждению была принятая по экспериментам по теореме Белла нелокальность, а так же убеждённость в верности реалистической трактовки физической картины мира. Необходимость пересмотра представлений о пространстве, заявленная Клаузером и Шимони, привела нас к этому выводу.

И вновь скрытые параметры

Неизвестные нам принципы микромира проявляются в нашем опыте регулярными, но необъяснимыми следствиями. Это регулярность гарантирует высокую вероятность ожидаемых событий, соответственно, и методы здесь статистические. Но о том, что происходит там, «под водой», можно только догадываться. Из-за всех этих трудностей согласования странностей квантовых проявлений последовательная теория потребует введения некоторых согласующих величин и принципов. В своё время подобной величиной стала постоянная Планка, вывод которой никаких логических оснований не имеет: это только коэффициент пропорциональности между величинами, полученными эмпирически, и которые до этого никто не считал как-то связанными. Каков механизм связи частоты излучения и энергии кванта, почему именно такова наименьшая мера излучения – мы не знаем и принимаем, что это соотношение определяется фундаментальной константой (h), одной из тех констант, которые определяют параметры нашей Вселенной.

Мы говорим о согласующих величинах. Являются ли такими величинами скрытые параметры? Как мы помним, благодаря трудам Джона Стюарта Белла существование скрытых параметров в ЭПР-парадоксе было опровергнуто. Однако это частный случай, который относится к сопряжённым параметрам, запрещённым квантовой механикой.[18] Кроме того, недавние эксперименты Павла Бласяка и Марцина Маркевича показали, что бозоны в одномодальных состояниях[19], ведут себя вполне классически, и могут быть объяснены с помощью модели со скрытыми переменными.[20] Последовательно было бы предполагать, что со сценой микромира классическую физику связывают «скрытые принципы» (таким «скрытым принципом» является нелокальность) или же скрытые параметры там, где принципы макромира сохраняют свою актуальность. Скрытые параметры и принципы превращают статистику микромира в закономерности по классическому типу. Именно эту идею отстаивал Эйнштейн и пытались защищать Дэвид Бом и Джон Белл. Проблема в том, что мы ищем ответ, как элемент нашей реальности, но он не может быть таким. Ответ, который мы ищем, покоится на другом, более фундаментальном уровне. Возможно, взгляд со стороны микромира был бы менее противоречив и лучше бы объяснял происходящее в макромире, но всё, что мы можем добыть в качестве своих знаний – это принципы перехода от известного к неизвестному. Скрытые же параметры и принципы – это интерфейс между «физикой, которую мы не знаем» и тем, что нам может быть известно. Из сказанного можно уверенно предполагать, что статистическая модель – это вынужденная мера, а не принцип существования мира, и в основе любых взаимодействий лежат не статистические принципы, а закономерности, подобные классическим. Но эти закономерности «лежат под водой», а наши статистические представления кажутся хаотически разбросанными островами на бескрайней поверхности океана нашего неведения. Понимая эту проблему так, профессор Утрехтского университета Герард эт Хоофт[21] в эссе «Неортодоксальный взгляд на квантовую механику»[22] утверждает: «Статистические допущения, заложенные в уравнения Шредингера, касаются переменных, которые придают форму пространству и времени и изменяются слишком быстро, чтобы их можно было учесть таким образом, чтобы мы могли ими управлять». Так же он утверждает, что волновая функция не описывает всей глубины процессов. Хоофт предполагает существование обширного класса высокоэнергетических объектов микромира, существующих в условиях невозможных для нашего наблюдения. Мы не можем видеть особенно быстрых частиц с массой сотен терраэлетроновольт, но именно они и создают ту область, которую мы заменяем статистикой. Пределом же микромира предполагается максимально возможная частица с планковской массой, так называемый максимон.[23] При этом профессор Хоофт считает условия их существования классическими,[24] а непредсказуемость поведения квантовых систем – следствием существования скрытых переменных.[25]

(Продолжение следует)