Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Глава 6 Квантовая магия и квантовое таинство

Нужна ли философам квантовая теория?

Классическая физика — в полном согласии со здравым смыслом — рассматривает объективный мир, который существует «там, вовне». Этот мир эволюционирует ясным и детерминистским образом, управляемый точно сформулированными математическими уравнениями. Это также верно для теорий Максвелла и Эйнштейна, как и для исходной ньютоновской схемы. При этом считается, что физическая реальность существует независимо от нас самих, и как бы мы ни смотрели на классический мир — ничего в нем от этого не изменится. Кроме того, наше тело и наш головной мозг сами являются частью этого мира — а значит, эволюционируют в соответствии с теми же точными и детерминистскими классическими уравнениями. Все наши действия должны строго описываться этими уравнениями независимо от наших представлений о свободной сознательной воле, которой мы обладаем и которая может оказывать влияние на наше поведение.

Такая картина лежит, по-видимому, в основе самых серьезных [139] философских рассуждений по поводу природы реальности, нашего чувственного восприятия и нашей кажущейся свободы воли. Однако у некоторых возникает ощущение, что определенная роль должна быть отведена и квантовой теории — фундаментальной, но вызывающей смятение в умах картины мира, возникшей в первой четверти XX века, когда были обнаружены тончайшие расхождения между наблюдаемыми явлениями и их описаниями, которые предлагала классическая физика. У многих термин «квантовая теория» вызывает лишь смутные ассоциации с «принципом неопределенности», который говорит о невозможности точного описания системы на уровне частиц, атомов или молекул, позволяя использовать здесь лишь вероятностный подход. Как мы увидим в дальнейшем, квантовое описание является точным, хотя и радикально отличающимся от классического. Кроме того, мы обнаружим, что несмотря на общепринятое убеждение, вероятности не возникаютна микроскопическом уровне (движение частиц, молекул и атомов происходит детерминистично), а появляются в результате некоторого загадочного крупномасштабного действия, ответственного за существование классического макромира, доступного нашим ощущениям. Мы должны попытаться понять это и выяснить, как квантовая теория изменяет наши взгляды на физическую реальность.

139

Я считаю само собой разумеющимся, что любая «серьезная» философская точка зрения должна содержать по крайней мере изрядную долю реализма. У меня всегда вызывает удивление, когда я узнаю о серьезных мыслителях — нередко физиках, рассматривающих следствия, к которым приводит квантовая механика, — которые занимают сильно субъективную точку зрения, согласно которой в действительности никакого реального мира — «там, вовне» — вообще нет! То, что я придерживаюсь где только возможно реалистической линии, отнюдь не означает, что мне неизвестно о том, с какой серьезностью отстаиваются подобные субъективные взгляды, — но я просто не могу придать им смысл. Тех, кто желает ознакомится с мошной и занимательной атакой на субъективизм такого рода, я приглашаю читать книгу Гарднера [1983],глава 1.

Можно было бы подумать, что квантовая теория вносит лишь незначительные поправки в описание физических явлений по сравнению с классической физикой. Но в действительности лишь благодаря этим поправкам могут существовать многие явления, происходящие в обычных масштабах. Само существование твердых тел, упругость и другие свойства материалов, химические свойства, цвет вещества, явления замерзания и кипения, устойчивость наследственности — эти и многие другие знакомые нам явления невозможно объяснить без привлечения квантовой теории. Возможно, что и феномен сознания есть нечто, что нельзя объяснить, оставаясь в рамках классических представлений. Не исключено, что наш разум есть не просто элемент в игре так называемых «объектов» классическойструктуры, а скорее представляет собой качество, сущность которого коренится в необычных и удивительных особенностях физических законов, управляющих нашим миром. Пожалуй, что мы, как разумные существа, скорее должны были бы жить в квантовом, нежели в классическом мире, несмотря на все его богатство, разнообразие и удивительность. Возможно, что квантовый мир необходим, чтобы из обычного вещества можно было бы создать нас — чувствующих и мыслящих существ. Это — вопрос скорее к Богу, вознамерившемуся сотворить обитаемую вселенную, чем к нам! Но все это имеет непосредственное отношение и к нам. Если классический мир не есть нечто, частью чего могло бы быть наше сознание, то различия между классической и квантовой физикой должны каким-то образом влиять и на наш разум. К рассмотрению этой проблемы я еще вернусь позже.

Для того, чтобы основательно углубиться в философские вопросы и понять, как ведетсебя наш мир и каково строение «разума», т. е. «нас самих», мы должны ближе познакомиться с квантовой теорией — самой точной и загадочной из физических теорий. Настанет время, когда наука достигнет болееглубокого понимания природы, чем то, которое предлагает нам квантовая теория. Лично я склонен полагать, что квантовая механика есть лишь промежуточный и во многом еще неадекватный шаг на пути построения полной картины реального мира. Но это не освобождает нас от необходимости включения представлений квантовой теории в философскую картину реальности.

К сожалению, многие физики-теоретики придерживаются различных (но равноправных с точки зрения эксперимента) точек зрения относительно актуальноститакой картины. Последователи Нильса Бора утверждают, что объективной картины реального мира не существует. С точки зрения квантовой теории «там, вовне» ничего не существует . Реальность же каким-то образом возникает только в связи с результатами «измерений». Согласно этой точке зрения квантовая теория представляет собой лишь вычислительную процедуру и не пытается описывать мир таким, каков он есть в действительности. Такое отношение к теории, на мой взгляд, является пораженческим, и я буду следовать позитивистскому способу рассмотрения, согласно которому объективная физическая реальностьможет быть описана квантовыми терминами: квантовым состоянием .

Существует точное уравнение — уравнение Шредингера , которое описывает полностью причинно обусловленную временную эволюцию этого состояния. Но взаимоотношение между изменяющимся во времени квантовым состоянием и наблюдаемым реальным миром происходит довольно странным образом. Время от времени — всякий раз, как только мы делаем заключение, что «измерение» уже произведено, мы вынуждены отказываться от того самого квантового состояния, за эволюцией которого мы наблюдали и использовать его только для вычисления вероятности, что оно скачком «перейдет» в одно из возможных новыхсостояний. В дополнение к странности этих «квантовых скачков» существует проблема того, какой должна быть физическая установка, позволяющая утверждать, что «измерение» действительно произведено. Измерительный прибор, в конечном счете, состоит из квантовых составляющих и поэтому должен эволюционировать в соответствии с уравнением Шредингера. Можно предположить, что и сами наблюдатели также построены из крохотных квантовых частиц. Является ли сознание необходимой составной частью процесса измерения? Думаю, что найдется немного физиков, готовых ответить положительно на этот вопрос.

Далее в этой главе мы рассмотрим некоторые необычные следствия этих «скачков» квантового состояния. Например, каким образом «измерение», производимое в одном месте, может вызвать «скачок» в другом удаленном месте! Но прежде нам необходимо познакомиться с еще одним необычным явлением. Допустим, что у объекта есть два различных, но совершенно равноправных маршрута движения. Если эти маршруты предоставлять ему по очереди, то он движется по ним одинаково хорошо. Но если открыть для него оба пути, то объект не может пройти ни по одному из них! Мы также рассмотрим более подробно, как реально описываются квантовые состояния, и увидим, насколько сильно это описание отличается от описания классических состояний. Например, частицы могут находиться сразу в двух местах! Мы обнаружим, насколько сложным становится квантовое описание системы многих частиц. Оказывается, что отдельная частица в такой системе не имеет определенного состояния. Только все вместе они обладают квантовым состоянием в виде сложной суперпозиции различных комбинаций друг друга. Мы увидим, как получается, что различные частицы одного типа не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Мы подробно изучим необычное и сугубо квантовое свойство спин . Мы обсудим проблемы, возникающие в парадоксальном мысленном эксперименте с «кошкой Шредингера», и способы решения этой ключевой головоломки, предлагаемые разными теоретиками.

Возможно, что материал этой главы покажется читателю более сложным для восприятия и слишком специальным по сравнению с предыдущими и последующими главами. Но я не пытаюсь упростить изложение и вводить читателя в заблуждение, поэтому нам с вами предстоит поработать более серьезно, чем обычно. Это позволит нам приблизиться к подлинному пониманию квантового мира. В тех же случаях, когда изложение будет казаться вам непонятным, я советую проявить настойчивость и попытаться осознать картину в целом. Не следует отчаиваться, если вам так и не удастся достичь полного понимания, ибо трудности коренятся в самой природе излагаемого предмета!

Проблемы с классической теорией

Каким же образом выяснилось, что классическая физика не дает истинного описания нашего мира? Основной источник таких сведений — эксперимент. Квантовая теория не была всего лишь выдумкой теоретиков. Несмотря на огромное внутреннее сопротивление, они были вынуждены прийти к этому странному и во многом философски неудовлетворительному взгляду на окружающий нас мир. А произошло это потому, что классическая теория, несмотря на свое величие, столкнулась с серьезными трудностями. Главной из них было сосуществование физических объектов двух видов: частиц , описывающихся конечнымчислом параметров (шестью — тремя координатами и тремя компонентами импульсов), и полей , имеющих бесконечно большоечисло параметров. Такое деление в действительности оказывается физически непоследовательным. Для того, чтобы система частиц и полей пришла в состояние равновесия (или «полного покоя»), вся ее энергия должна перейти от частиц к полю. Это — проявление так называемого принципа «равномерного распределения энергии»: в равновесном состоянии вся энергия поровну распределяется между всеми степенями свободы системы. Так как поля обладают бесконечно большим числом степеней свободы, то на долю несчастных частиц вообще ничего не остается!

В этом случае классический атом был бы нестабилен, ибо движение его частиц полностью трансформировалось бы в волновые моды поля. Напомню, что в 1911 году британский физик-экспериментатор новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд предложил модель атома, напоминающую солнечную систему. В центре такого атома подобно маленькому солнцу располагалось ядро, а вокруг него подобно планетам обращались электроны, удерживаемые на своих орбитах электромагнитными силами вместо гравитации. Фундаментальная и на первый взгляд неразрешимая проблема состояла в том, что в соответствии с уравнениями Максвелла электрон должен был за долю секунды упасть на ядро по спиральной траектории, непрерывно излучая при этом электромагнитные волны, интенсивность которых за такое малое время достигала бы бесконечной величины. Но ничего подобного не наблюдалось! То, что происходило в действительности, было необъяснимо с точки зрения классической теории. Атомы могли излучать электромагнитные волны (свет) только определенного набора частот, в виде четких спектральных линий (рис. 6.1). Более того, эти частоты удовлетворяли «безумным» правилам [140] , не имеющим под собой никакого основания в классической теории.

140

В частности, Дж. Дж. Бальмер отметил в 1895 году, что частоты спектральных линий водорода удовлетворяют формуле R ( n ^{– 2}— m ^{– 2}), где n и m — положительные целые числа ( R — постоянная).

Рис. 6.2.Расхождение между интенсивностью излучения нагретого тела («абсолютно черного тела»), вычисленной в рамках классической теории, и наблюдаемой интенсивностью привели Планка к началам квантовой теории

Одним из проявлений такой нестабильности системы полей и частиц стало явление, известное как «излучение абсолютно черного тела». Представьте себе объект, нагретый до определенной температуры, в котором электромагнитное излучение находится в тепловом равновесии с частицами. В 1900 году Рэлей и Джинс теоретически показали, что в этом случае вся энергия частиц должна быть без остатка «высосана» полем! Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы», когда энергия безостановочно перетекает во все более и более высокочастотные колебания поля, в то время как в действительности природа никогда не ведет себя столь расточительно. Наблюдения показали, что энергия низкочастотныхколебаний поля действительно соответствует предсказанию Рэлея и Джинса, но в высокочастотнойчасти спектра (где ими была предсказана «ультрафиолетовая катастрофа») она не возрастает бесконечно, а спадает до нуля. Максимальное значение энергии при данной температуре приходится на определенную частоту или цвет (см. рис. 6.2). Хорошо знакомыми примерами этого могут служить красный цвет нагретой кочерги или желтобелый цвет раскаленного Солнца.