В этой статье мы рассмотрим, что означает коллапс волн, сосредоточившись на копенгагенской интерпретации и интерпретации множественных миров среди различных интерпретаций квантовой механики, и рассмотрим характеристики и ограничения каждой из этих интерпретаций.
С конца XIX века до начала XX века начали появляться явления, которые нельзя было объяснить одной лишь классической физикой. Максвелл и Эйнштейн обнаружили, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Макс Борн предсказал, что частицы также обладают волнообразными свойствами. Считается, что эксперимент Дэвиссона-Гермера с двойной щелью экспериментально продемонстрировал волнообразное поведение электронов. При более детальном рассмотрении эксперимента с двойной щелью становится ясно следующее: устройство, испускающее электроны, пластина с двумя щелями и экран расположены последовательно. Электроны, испускаемые источником электронов, проходят через две щели и достигают экрана; при наблюдении момента попадания электронов на экран появляется интерференционная картина. Подобный узор не наблюдается, когда имеется только одна щель. Следовательно, положение электрона следует объяснять как волну, проходящую одновременно через обе щели. Для объяснения этих явлений возникла квантовая механика. В квантовой механике волны вероятности описываются как фундаментальные строительные блоки природы. Волновые функции вероятности используются для описания состояния вещества. К агрегатному состоянию вещества относятся такие свойства, как положение и спин. Волнообразная зависимость вероятности указывает на то, что значение не фиксировано в какой-либо одной точке, а вероятность его возникновения изменяется в каждой точке. Квантовая механика была разработана в начале XX века, и многочисленные экспериментальные результаты того периода и последующих лет подтверждают справедливость этой теории. В основе этой теории лежит волновое уравнение Шрёдингера. Как фундаментальное уравнение квантовой механики, волновое уравнение Шрёдингера описывает, как изменяется волна вероятности со временем. Однако до сих пор неясно, как именно подобные волны вероятности связаны с повседневной жизнью. В повседневной жизни мы наблюдаем не множество состояний, а одно, определенное состояние — как это можно объяснить? Что такое вероятностная волна, и как её понять? Для решения этих вопросов возникли различные интерпретации квантовой механики. В ходе опроса, проведенного ранее на конференции по квантовой физике, участникам задавали вопросы об их предпочтениях относительно каждой интерпретации. Предпочтение копенгагенской интерпретации составило 42%, квантово-информационной перспективе — 24%, а интерпретации множественных миров — 18%. Как показало исследование, копенгагенская интерпретация является общепринятой в физическом сообществе. Копенгагенская интерпретация — это интерпретация, разработанная с самых ранних этапов квантовой механики учеными во главе с Бором. Брайан Грин сформулировал основной тезис копенгагенской интерпретации следующим образом: «Всякий раз, когда мы пытаемся непосредственно наблюдать волну вероятности, сам акт наблюдения нарушает её». Копенгагенская интерпретация объясняет, что в момент наблюдения волна вероятности больше не может оставаться в этом состоянии и коллапсирует в одну точку. Объясняется, что результатом этого слияния в единую точку является та реальность, с которой мы знакомы. Этот процесс называется коллапсом волн. Квантово-информационная перспектива объясняет, что сама Вселенная состоит из квантовой информации, которая составляет саму сущность Вселенной. Эта теория утверждает, что всё является результатом квантовых вычислений, включающих в себя эту квантовую информацию. С этой точки зрения, всю Вселенную иногда рассматривают как машину, выполняющую квантовые вычисления. Сет Ллойд написал книгу, в которой убедительно доказывает эту точку зрения. В этой книге он объяснил роль информации и ее связь с реальными физическими законами. Например, он объяснил, как квантовые вычисления имеют тенденцию распространять неизвестную информацию, и подробно рассказал о физических законах, связанных с энтропией. Интерпретация множественных миров была предложена Хью Эвереттом. Данная интерпретация не допускает коллапса волновой функции, который является краеугольным камнем копенгагенской интерпретации. Вместо этого, она предполагает, что Вселенная разветвляется на множество миров, и все возможности реализуются. Таким образом, это объясняет, что в каждом мире наблюдатель воспринимает реальность, с которой мы знакомы. Я считаю концепцию коллапса волновой функции, которую можно рассматривать как ядро копенгагенской интерпретации, неубедительной. Как отметил Брайан Грин, граница, определяющая, что именно constitutes «наблюдение», неясна. Объяснение звучит примерно так: коллапс волновой функции не происходит при взаимодействии микроскопических объектов друг с другом, но происходит при проведении измерений наблюдателем; однако это объяснение трудно принять.
Естественно предположить, что законы физики применимы универсально и одинаково во всей Вселенной. Поскольку наблюдатель также является частью Вселенной, я считаю естественным, что законы квантовой механики в равной степени применимы ко всем действиям, включая наблюдение. Однако копенгагенская интерпретация объясняет, что коллапс волны происходит в результате акта наблюдения со стороны наблюдателя. С математической точки зрения, коллапс волны также является операцией, отличной от обычных квантово-механических операций. Хотя я не могу здесь подробно объяснить процесс изменения волновой функции вероятности, его можно описать как операцию, включающую умножение на обратимую матрицу, обладающую определенными особыми свойствами. «Обратимость» означает, что существует однозначное соответствие между результатом и состоянием, которое его вызвало. Однако при коллапсе волновой функции это соответствие нарушается. Система застревает в одном-единственном состоянии, что делает невозможным восстановление исходного состояния. В случаях, когда характер наблюдения имеет решающее значение — например, в копенгагенской интерпретации — иногда вводится понятие разреза Гейзенберга. Эта концепция предполагает, что законы квантовой механики применимы до определенной границы, а за этой границей волновая функция коллапсирует. Однако эта граница четко не определена. Это может быть установлено на уровне таких объектов, как электроны или протоны, или на уровне макроскопических объектов, таких как люди. Это неудовлетворительно, поскольку не указано, где именно должна быть проведена эта граница. Известным примером, иллюстрирующим эту ситуацию, является мысленный эксперимент Шрёдингера с котом. В этом мысленном эксперименте появляются частица меньше атома и кошка. Малая частица может распадаться с определённой вероятностью, и этот процесс можно объяснить с помощью квантовой механики. Рядом с ним размещено устройство обнаружения. Говорят, что в момент обнаружения такого разложения запускается механизм, убивающий кошку. Это поднимает вопрос о том, жива кошка в данный момент или мертва. Копенгагенская интерпретация объясняет, что состояние кошки — жива она или мертва — определяется в момент наблюдения за ней. Это объяснение основано на предпосылке, что даже макроскопические объекты не подвергаются коллапсу волн. Это говорит о том, что даже крупные объекты следует рассматривать в рамках квантовой механики. Следовательно, существуют мысленные эксперименты, которые доводят эту ситуацию до еще большей крайности. В этом мысленном эксперименте мы предполагаем, что друг провел мысленный эксперимент с котом Шрёдингера и понаблюдал за состоянием кота. В таком случае это не дает однозначного объяснения того, на какой границе следует считать, что волновая функция коллапсировала. Что касается этой границы, некоторые считают решающим фактором степень осведомленности наблюдателя, которая, как говорят, связана с вероятностью. Тем не менее, копенгагенская интерпретация имеет преимущество в том, что она легко и ясно объясняет результаты, наблюдаемые наблюдателем. По сути, это очень хорошо объясняет результаты различных экспериментов. Достаточно применить эффект коллапса волн в момент наблюдения экспериментальных результатов или при взаимодействии с макроскопическими объектами. Это удобная интерпретация, не требующая рассмотрения квантового состояния наблюдательного оборудования. Одна из причин его большого успеха, несмотря на интуитивно трудноприемлемый результат коллапса волн, вероятно, заключается в его способности хорошо объяснять экспериментальные результаты. Именно потому, что объяснение коллапса волн является столь неестественным, я считаю, что многомировая интерпретация может стать жизнеспособной альтернативой копенгагенской интерпретации. Интерпретация множественных миров не признает коллапса волн. Утверждается, что это интерпретация, полученная путем сосредоточения внимания исключительно на волновом уравнении Шрёдингера. Поскольку этот подход не рассматривает акт наблюдения как подчиняющийся каким-либо особым законам, он интерпретирует этот процесс как просто изменение волнового состояния, как это видно из волнового уравнения. Иными словами, подразумевается, что при наблюдении волна не коллапсирует; вместо этого наблюдатель и объект переходят в квантово-механически запутанное состояние. Чтобы понять это запутанное состояние, рассмотрим пример с точки зрения многомировой интерпретации, которая не признает коллапс волн. Спин электрона может быть направлен либо вверх (↑), либо вниз (↓). Прибор для наблюдения представляет собой устройство, измеряющее спин электрона. Предположим, что окно отображения состояния наблюдательного оборудования имеет три возможных состояния: вверх (⟰), вниз (⟱) и пустое (). Давайте рассмотрим ситуацию, предшествовавшую измерению. Спин электрона и окно отображения состояния наблюдательного оборудования можно описать как взаимно независимые волны вероятности. Электрон не зафиксирован ни в верхнем (↑), ни в нижнем (↓) положении, а представлен волной вероятности. Для проведения эксперимента измерительный прибор был бы установлен в пустое состояние (), и существовала бы вероятностная волновая функция, представляющая эту ситуацию. Давайте посмотрим на ситуацию после измерения. На данном этапе это уже нельзя описывать как независимые волновые функции вероятности. Общее состояние описывается единой вероятностной волновой функцией, которая охватывает как электрон, так и измерительный прибор.
В частности, она представлена единой волновой функцией вероятности, описывающей только две возможные ситуации: одна, где спин электрона направлен вверх, а окно состояния наблюдательного прибора указывает «вверх» (↑⟰), и другая, где спин электрона направлен вниз, а окно состояния наблюдательного прибора указывает «вниз» (↓⟱). Это явление, при котором множественные состояния перестают быть независимыми, описывается как «запутанность». Интерпретация множественных миров делает шаг дальше в этом направлении. Рассматривая приведенный выше пример, можно выделить две возможные ситуации (↑⟰, ↓⟱). В рамках теории множественных миров мир рассматривается как разделённый на эти два состояния. То есть, в одном мире возникает ситуация ↑⟰, а в другом — ситуация ↓⟱. Говорят, что при рассмотрении уравнения Шрёдингера таким образом не возникает никаких серьезных математических проблем. Если мы разделим возможные состояния на основе результатов наблюдений и интерпретируем каждый результат как отдельный мир, то это и есть многомировая интерпретация. Таким образом, любое событие, которое можно считать наблюдением, рассматривается как событие, в результате которого происходит раскол миров. Следовательно, в каждом мире реализуется каждая возможность, осуществимая с точки зрения квантовой механики. Наиболее привлекательным аспектом многомировой интерпретации для меня является то, что она не рассматривает акт наблюдения как нечто особенное. Поскольку даже наблюдатель рассматривается как часть мира, подчиняющегося тем же законам квантовой механики, я считаю эту интерпретацию более универсальной. Однако интерпретация множественных миров подвергается многочисленной критике. Нет убедительного объяснения тому, что значит для мира разделение на множество миров. Более того, утверждение о существовании множества миров само по себе абсурдно. Если миры создаются непрерывно до бесконечности, то невозможно объяснить, как мы можем отслеживать их такое огромное количество. Более того, если разные миры полностью обособлены и не могут влиять друг на друга, можно утверждать, что с точки зрения наблюдателя существование других миров совершенно бессмысленно. С этой точки зрения сама интерпретация теряет смысл. Кроме того, в рамках интерпретации множественных миров по-прежнему существует немало проблем, которые необходимо решить. Во-первых, одной из задач, которую необходимо решить, является предоставление адекватного объяснения того, какой мир будет воспринимать реальный наблюдатель. Для объяснения явлений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, необходимо также иметь способ описывать явления с точки зрения наблюдателя, а не с точки зрения целого. Это происходит потому, что мы не наблюдаем непосредственно волны вероятности, а только их результаты. Копенгагенская интерпретация ясно объясняет этот аспект. Копенгагенская интерпретация утверждает, что наблюдаемый нами мир реализуется посредством коллапса волновой функции и приводит к результатам, соответствующим реальности. Кроме того, многомировая интерпретация должна быть способна объяснить копенгагенскую интерпретацию. Если многомировая интерпретация верна, она должна объяснить — со своей точки зрения — как все экспериментальные результаты на сегодняшний день соответствуют предсказаниям копенгагенской интерпретации. Кроме того, нам необходимо определить, при каких обстоятельствах могут возникнуть различия между двумя интерпретациями. Поэтому установление связи с копенгагенской интерпретацией также представляет собой серьезную проблему. Я не поддерживаю концепцию коллапса волн, предложенную в копенгагенской интерпретации, поскольку неясно, когда именно её следует применять, и я считаю практику выделения измерения как отдельного процесса проблематичной с точки зрения универсальности. Вместо этого, я считаю, нам следует придерживаться точки зрения, согласно которой вся Вселенная может быть описана как вероятностная волна в квантовой механике, и что наблюдатель также является её частью. Поэтому я считаю, что многомировая интерпретация и подобные ей теории могли бы послужить альтернативой. Однако, как уже упоминалось ранее, и эти интерпретации по-прежнему сопряжены с рядом проблем. Как показывают результаты опроса физиков, окончательного вывода относительно интерпретации квантовой механики пока не сделано. Некоторые из существующих интерпретаций уже неоднократно опровергались экспериментальным путем. Однако подобные эксперименты для копенгагенской интерпретации или интерпретации множественных миров еще не проводились. Вполне возможно, что в будущем будут разработаны экспериментальные схемы, способные наглядно продемонстрировать различия между этими интерпретациями. В качестве альтернативы, мы можем в конечном итоге прийти к выводу, что все эти интерпретации одинаково верны. Поэтому я считаю, что по мере углубления нашего понимания законов физики откроются новые пути интерпретации квантовой механики. Будет очень интересно наблюдать за развитием этого процесса.
