Многомировая интерпретация квантовой механики

Еще одним влятельным оппонентом копенгагенской теории стала многомировая интерпретация квантовой механики. На этот раз речь идет о новациях X. Эверетта^[1], поддержанных Дж. Уиллером, Б. Де Виттом, Д. Дойтшем и многими другими первоклассными физиками. Термин многомировая интерпретация квантовой механики предложил Де Витт. Сам Эверетт рассуждал об универсальной волновой функции. Основные положения многомировой интерпретации квантовой механики можно представить следующим образом.

• 1. Универсальная волновая функция описывает состояние всего физического мира.
• 2. Каждая частная волновая функция относится к отдельному миру, который выделяется посредством измерений.
• 3. Нет никакой надобности в признании коллапса волновой функции. Она актуальна в том числе для описания процессов измерений.
• 4. Скрытые параметры нс существуют.

Итак, нам необходимо как-то совладать с тремя наиболее популярными интерпретациями квантовой механики, соперничающими друг с другом. Есть множество других интерпретаций, но для нашей цели, а именно демонстрации пути осознания плюрализма физического знания, указанных трех интерпретаций достаточно.

Разрешению рассматриваемой проблемной ситуации во многом способствовал придуманный А. Эйнштейном, Б. Подольским и Н. Розеном в 1935 г. парадокс¹, который для краткости называют ЭПР-парадоксом. Суть его состоит в том, что при взаимодействии двух квантовых объектов их суммарный спин сохраняется. Квантовая механика не отменяет законы сохранения. Допустим, что взаимодействовали друг с другом две частицы, обладающие разнонаправленными спинами +1 и -1. Они разлетелись на большое расстояние. Их суммарный спин остается равным 0. Измеряется спин одной из частиц на избранное направление. В силу вероятностных закономерностей квантовой механики спин измеряемой частицы будет либо +1, либо -1. Что же касается величины спина второй частицы, то она может быть вычислена. Если спин первой частицы +1, то спин второй частицы -1; если же спин первой частицы -1, то второй — +1.

Изобретатели ЭПР-парадокса полагали, что поставили сторонников копенгагенской интерпретации в затруднительное положение. Вопреки утверждениям копенгагенцев некоторые сведения о физических характеристиках квантовых объектов можно заполучить не измерением, а вычислением. Впрочем, этот аргумент не является губительным для копенгагенской интерпретации, которую можно скорректировать следующим образом. В процессе первоначального взаимодействия частицы образуют единое целое таким образом, что каждая из них несет информацию о своей напарнице. Частицы запутались друг с другом, следовательно, их состояния стали запутанными, поэтому нет ничего удивительного в том, что измерение над одной частицей дает сведения и о другой. Наличие квантовых корреляций не отменяет тот факт, что лишь измерением можно выделить ту характеристику, которая проявляется в некоторой конкретной ситуации. Как видим, осмысление ЭПР-парадокса привело к развитию нового понятия, а именно запутанных состояний и, соответственно, квантовой корреляции. Впрочем, но большому счету позиции сторонников как копенгагенской, так и ансамблевой интерпретации не были поколеблены решающим образом.

Ситуация кардинально изменилась в связи с экспериментальной проверкой неравенств Дж. Белла. В 1964 г. он предложил неравенства, которым должны были подчиняться скрытые параметры^[2][3]. Спустя 39 лет после создания квантовой механики физики впервые получили возможность проверить положение о наличии скрытых параметров в эксперименте. Результаты экспериментов, на проведение которых ушло еще полтора десятка лет, оказалось обескураживающими для сторонников ансамблевой интерпретации¹. Обычная их интерпретация состоит в следующем:

• 1. Нет оснований отказываться от квантовой механики.
• 2. Представление о скрытых параметрах несостоятельно.

Проверка неравенств Белла укрепила позиции сторонников копенгагенской интерпретации. Но их поджидала неприятность со стороны концепции запутанных состояний, ведь запутываются друг с другом не только отдельные частицы, но и частицы с измерительными приборами. Как выяснилось, в этой связи особого внимания заслуживает явление декогеренции^[4][5]. Оно понимается как ослабление тех членов физической системы, которые обусловливают квантовую интерференцию. Речь идет об определенных последствиях «запутывания». Наиболее часто рассматривается процесс перехода от чистых к смешанным состояниям. Убедительно было показано, что декогеренция происходит каждый раз, когда квантовая система запутывается с ее окружением. Этот процесс можно подсчитать^[6]. Аккуратно выписываются все интерференционные члены. При известных условиях они оказываются равными нулю. В итоге квантовая система переходит в смешанное состояние. По мере подавления когерентности все шире открывается калитка для использования классических концептов. Все классические концепты оказываются упрощениями квантовых понятий. Вопреки Бору они необязательны. Нет необходимости также в признании коллапса волновой функции. Смешанные состояния являются квантовыми состояниями. Они описываются посредством матрицы плотности, которая составляет единство с аппаратом волновых функций.

Развитие концепции декогеренции ослабило позиции копенгагенцев, но существенно повысило статус многомировой интерпретации. Разумеется, и она не обходится без трудностей. В ее границах все варианты расщепления на относительные миры считаются равнозначимыми. Неясен тот способ, которым, находясь в одном мире, можно учесть реальность других миров.

Итак, в нашем распоряжении три интерпретации квантовой механики. Как с ними быть? Следует ли придерживаться одной, так сказать, единственно верной? Или же целесообразно провести свой собственный синтез теорий, рискуя прийти в противоречие с авторитетами? Эти непростые вопросы возникают не случайно, а в силу плюрализма квантовой механики. Однако простая констатация этого факта недостаточна. Как бы то ни было, ответ на поставленные вопросы должен быть определен.

Прежде всего, отметим, что интерпретации квантовой механики достаточно легко классифицировать в соответствии с теми концептами, которые либо отвергаются, либо, наоборот, получают высокую оценку. В качестве классификационного признака можно принять любой концепт, например признание редукции волновой функции, следование идеалам детерминизма, осуществимость однозначных предсказаний. В табл. 3.1 показан один из способов сравнения интерпретаций квантовой механики.

Таблица 3.1

Сравнение трех интерпретаций квантовой механики.

Автор сформулировал концепты таким образом, чтобы их подтверждение, отмеченное знаком плюс, оценивалось позитивно. Если же они отмечены знаком минус, то оно оценивается негативно. Знак звездочка свидетельствует о том, что не выработано четкое отношение к концепту. Указанное сравнение показывает, что наиболее позитивной является многомировая интерпретация, на второе место попадает копенгагенская. В соответствии с такой градацией ряд интерпретаций следует построить так, как это указано в следующей формуле (интерпретации названы именами их создателей):

Дополнительный анализ показывает, что этим рядом не следует успокаиваться. В многомировой интерпретации Эверетта исходным концептом является универсальная функция, состоящая из отдельных волновых функций. При этом реализуется структурный метод: отдельная волновая функция зависит от всей совокупности функций. Но имеет смысл также выстраивать структуру, т. е. универсальную функцию, посредством отдельных функций. В этом случае реализуется атомарный метод^[7]. Атомарный метод представлен в копенгагенской интерпретации значительно полнее, чем в многомировой. Имея это в виду, целесообразно ряд (3.8) дополнить следующим рядом:

Таким образом, посредством построения интерпретационных рядов постигается плюрализм научного знания, в том числе в квантовой механике. К сожалению, этой возможностью даже выдающиеся физики пользуются редко. Наиболее часто они объявляют себя приверженцами одной точки зрения, не пытаясь синтезировать различные теории в интерпретационные ряды. Впрочем, некоторые из них осознают необходимость синтеза различных однотипных теорий. Свою нобелевскую лекцию Р. Фейнман закончил следующими словами: «Сегодня для хорошего физика-теоретика могло бы оказаться полезным наличие широкого диапазона физических точек зрения и математических формулировок одной и той же теории (например, квантовой электродинамики), которые он мог бы использовать. Может быть, требовать этого от одного человека слишком много. Тогда новые студенты, взятые все вместе, должны владеть этим»^[8]. Думается, инициатива должна исходить от профессоров, а студенты к ним подтянутся.

Выводы

• 1. Плюрализм стал значимой стороной современного этапа развития физики. Несостоятельно сведение всех интерпретаций квантовой механики к одной избранной.
• 2. Плюрализм достигается лишь в случае последовательного обхода всех актуальных теорий, выделения их слабых и сильных сторон. В условиях концептуального плюрализма должны быть учтены достоинства не одной избранной, а многих теорий.
• 3. Как показывают уроки осмысления квантовой механики, современный физик должен руководствоваться рядами теорий, в том числе их метанаучными интерпретациями. Этот вывод относится к любому разделу физики.

• [1] Everett H. Relative State Formulation of Quantum Mechanics // Review of Modern Physics.1957. Vol. 29. № 3. P. 454—462; Everett H. The Theory of the Universal Wave Function //Witt B. De, Graham N. (eds). The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics. Princeton, N. J.: Princeton University Press, 1973. P. 3—140.
• [2] Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н. Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным? // Эйнштейн А. Собр. науч. тр. :в 4 т. М.: Наука, 1966. Т. 3. С. 604−611.
• [3] BellJ. 5. On the Einstein Podolsky Rosen Paradox // Physics. 1964. Vol. 1. № 3. P. 195—200.
• [4] Aspect A., GrangierP., Roger G. Experimental Realization Of Einstein — Podolsky — RosenBohm Gedankenexperiment. A New Violation Of Bell’s Inequalities // Physical Review Letters.1982. Vol. 49. № 1. P.91−94.
• [5] Зурек В. Декогеренция и переход от квантового мира к классическому (с добавлениямиавтора). URL: http://www.chronos.msu.ru/RREPORTS/zurck_dckogcrcncia.pdf
• [6] Меиский М. Б. Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новыеформулировки старых вопросов // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. № 6. С. 639.
• [7] О соотношении структурного и атомарного методов см. параграф 1.13.
• [8] Фейнман Р. Развитие пространственно-временной трактовки квантовой механики //Успехи физических наук. 1967. Т. 91. № 1. С. 29—48.