Комментарии переводчика
В каком же мире мы живем? Теоретики разработали несколько ответов на этот вопрос - так называемых интерпретаций. В настоящее время большинство физиков склоняется к "интерпретации многих миров" (ИММ), которую мы и рассмотрим более подробно.
Что такое ИММ? Эта интерпретация, связанная с квантовой теорией, известна под многими названиями: "интерпретация Эверетта", "относительного состояния", "мультиисторическая" или "мультивселенная". Автор ее, физик Хью Эверетт-третий, дал свои наименования: "метатеория относительного состояния" или "теория универсальной волновой функции", но после работ ДеВитта ее чаще всего называют ИММ.
ИММ включает два предположения и несколько следствий.
Метафизическое предположение: волновая функция не просто кодирует всю информацию об объекте, но существует независимо от наблюдателя и реально является объектом.
Физическое предположение: наблюдатель не играет особой роли, и следовательно, коллапса волновой функции не происходит. Для нерелятивистских систем хорошим приближением к реальности является волновое уравнение Шрёдингера.
Главное следствие (остальные для краткости опустим) состоит в том, что каждое измерение вызывает разложение, или декогерентность, универсальной волновой функции на невзаимодействующие и по большей части не перекрывающиеся ветви, истории или миры. Эти "истории" образуют ветвящееся дерево, которое объединяет все возможные исходы каждого взаимодействия. Каждое историческое "что если", совместимое с начальными условиями и физическими законами, реализуется.
ИММ есть реформулирование опубликованной Эвереттом в 1957 году теории, рассматривающей процесс наблюдения или измерения целиком в рамках волновой механики квантовой теории, без привлечения дополнительных предположений, как в "копенгагенской интерпретации" (см. ниже). ИММ - это возврат к классическому, доквантовому взгляду на Вселенную, в котором все математические сущности физической теории реальны. Например, в классической физике электромагнитные поля Максвелла или атомы Дальтона считаются реальными объектами. Эверетт обращается с волновой функцией сходным образом. Он также предполагает, что волновая функция во время наблюдения или измерения подчиняется тому же волновому уравнению, что и в остальное время. Это и есть главное предположение ИММ: волновое уравнение соблюдается универсально и всегда.
Эверетт обнаружил, что новая, более простая теория "относительного состояния" предсказывает: взаимодействие между двумя (или более) макросистемами расщепляет объединенную систему на суперпозицию (то есть наложение) продуктов относительных состояний. Любой элемент суперпозиции - а каждый из них есть продукт состояний субсистемы - развивается независимо от других ее элементов. Состояние макросистем, ставших взаимно "сцепленными", становится невозможно понять в изоляции друг от друга, поэтому они должны рассматриваться как одна композитная система. Уже нельзя говорить о состоянии одной (суб)системы в изоляции от другой (суб)системы. Вместо этого мы вынуждены иметь дело с состояниями субсистем относительно друг друга.
Если одной из систем является наблюдатель, а взаимодействием - наблюдение, тогда эффектом наблюдения станет расщепление наблюдателя на несколько копий. Отдельно взятая копия будет наблюдать лишь один из возможных результатов измерения и не подозревать о других результатах и существовании других наблюдателей-копий. Взаимодействие между системами и окружающей средой каждой из них, включая общение между различными наблюдателями в одном и том же мире, вызывает локальное расщепление (или декогерентность) на невзаимодействующие ветви универсальной волновой функции. Таким образом, весь мир весьма быстро расщепляется на взаимно ненаблюдаемые, но одинаково реальные миры.
В соответствии с ИММ все возможные исходы квантового взаимодействия реализуются. Волновая функция, вместо того чтобы коллапсировать в момент наблюдения, продолжает эволюционировать детерминистским образом, охватывая все заключенные внутри нее вероятности. Все исходы существуют одновременно, но более не взаимодействуют друг с другом, а каждый мир-предшественник расщепляется на взаимно ненаблюдаемые, но одинаково реальные миры.
Возникает логичный вопрос: а есть ли другие теории, кроме ИММ? Да сколько угодно. Впрочем, как пишет Прайс, кроме ИММ, ему "неизвестны другие квантовые теории, являющиеся научными в смысле описания модели реальности и свободные от внутренних противоречий".
Возьмем для примера "копенгагенскую интерпретацию". Она постулирует, что наблюдатель подчиняется другим физическим законам, чем не-наблюдатель, а это уже возврат к витализму. Статус волновой функции здесь также допускает двоякое толкование. Если волновая функция реальна, то теория не является локальной (это не смертельно, но неприятно). Если же волновая функция не реальна, то теория не предлагает модели реальности.
Для очистки совести просто перечислю названия других теорий: "скрытых переменных", "квантовой логики", "растянутой вероятности", "многих разумов" и так далее. Желающие могут попытаться разобраться в них самостоятельно.
Ладно, будет и примерчик. Возьмем многострадальную (во всех отношениях) кошку Шрёдингера: многие о ней хотя бы слышали. Садист-физик сажает бедное животное в ящик, снабженный неким устройством, которое выбрасывает смертельную дозу цианида в случае, если происходит некое случайное событие, например, счетчик Гейгера регистрирует распад атома радиоактивного элемента (да-а, их бы фантазию да в мирных целях…). Для простоты вообразим, что закрытый ящик полностью изолирует кошку от окружающей среды. Через некоторое время физик открывает ящик и проверяет, жива кошка или мертва.
В соответствии с "копенгагенской интерпретацией", кошка не является ни живой, ни мертвой до момента, когда ящик будет открыт, вследствие чего волновая функция кошки (а как звучит!) коллапсирует в одну из двух альтернатив: кошка живая или кошка мертвая. По Шрёдингеру, парадокс заключается в том, что кошка, предположительно, знала, жива ли она, еще до того, как ящик был открыт. По теории ИММ, устройство расщепляется на два состояния (цианид выпущен или не выпущен) в момент радиоактивного распада, который является термодинамически необратимым процессом. Когда "цианид-да"/"цианид-нет" взаимодействует с кошкой, та расщепляется на два состояния - живая или мертвая. С точки зрения выжившей кошки, она обитает в другом мире относительно своей покойной копии. Наблюдатель расщепляется на две копии, только когда ящик открывается, и эти копии различаются состоянием кошки.
Кошка расщепляется, когда устройство срабатывает, причем необратимо. Наблюдатель расщепляется, когда они открывают ящик. Живая кошка понятия не имеет о том, что наблюдатель расщепился, равно как не сознает, что в соседнем, "отщепившемся" мире находится мертвая кошка. Наблюдатель же может прийти к выводу (уже после события, осмотрев механизм выброса цианида или заглянув в память кошки), что кошка расщепилась до того, как ящик был открыт.
Покончив с объяснением одной из заложенных в повесть идей, рассмотрим суть второй идеи - квантовый компьютер и принципы его работы.
Квантовый компьютер - это (пока) гипотетическая машина, производящая вычисления, основанные на поведении частиц на субатомном уровне. Такой компьютер теоретически будет в миллионы раз мощнее любых современных. Это станет возможно благодаря тому, что единицы данных в нем могут существовать более чем в одном состоянии одновременно. В каком-то смысле машина будет "обдумывать" несколько идей одновременно, и каждая такая "мысль" будет независима от остальных, хотя все они и произошли от одного и того же набора частиц. Базовой единицей данных в КК является кубит.
Наибольшая трудность в создании КК связана с тем, что заставить частицы вести себя должным образом в течение значительного отрезка времени чрезвычайно сложно. А из-за малейшего внешнего воздействия машина перестает вести себя "по-квантовому" и переходит в режим "одной мысли", как у обычного компьютера. Такой помехой могут стать электромагнитные поля, физическое перемещение или даже очень слабый электрический разряд.
Кубит (кьюбит) - это квантовый бит, аналог двоичного числа, бита, из классического компьютера. Подобно тому как бит является базовой единицей информации в классическом компьютере, так и кубит есть базовая единица информации в квантовом компьютере (КК).
Такой компьютер может использовать элементарные частицы (например, электроны или фотоны), у которых заряд или поляризация служат репрезентацией 0 и/или 1. Каждая из таких частиц называется кубит, а их природа и поведение являются основой квантовых вычислений. Два наиболее важных аспекта квантовой физики - это принципы суперпозиции и сцепления.
Представим кубит как электрон в магнитном поле. Его спин (вращение) может быть направлен или вдоль поля (состояние "спин-вверх"), или навстречу полю (состояние "спин-вниз"). Изменить состояние спина можно с помощью импульса энергии, например, лазера. Допустим, на это мы потратим 1 единицу энергии лазера. Но что если мы используем лишь 0,5 единицы энергии лазера и при этом полностью изолируем частицу от всех внешних влияний? Тогда по законам квантовой физики частица войдет в суперпозицию (наложение) состояний, в которой она ведет себя так, словно находится в обоих состояниях одновременно. Каждый из наших кубитов может находиться в суперпозиции как 0, так и 1. Отсюда число вычислений, которые может произвести КК, есть 2, где п - количество использованных кубитов. КК из 500 кубитов будет иметь потенциал до 2 параллельных вычислений за каждый шаг - это число неизмеримо больше числа атомов в известной Вселенной! Причем это будут истинно параллельные вычисления, а не много процессоров, работающих одновременно в современных компьютерах.
Но как эти частицы будут взаимодействовать? Через так называемое квантовое сцепление.
Частицы, которые в какой-то момент взаимодействовали, сохраняют определенную связь и могут быть сцеплены в пары в ходе процесса, называемого корреляцией. Знание состояния спина одной из сцепленных частиц (вверх или вниз) позволяет понять, что у второй частицы он противоположный. Но еще поразительнее то, что из-за феномена суперпозиции измеряемая частица до момента измерения не имеет четкого направления спина, а находится одновременно в состояниях "спин-вверх" и "спин-вниз". Состояние спина измеряемой частицы определяется в момент измерения и передается сцепленной частице, которая одновременно приобретает противоположное направление спина. Это реальный феномен (Эйнштейн назвал его "призрачное воздействие на расстоянии"), механизм которого пока не может объяснить ни одна теория - его просто следует принимать как факт. Квантовое сцепление позволяет кубитам, даже разведенным на огромное расстояние, мгновенно взаимодействовать, причем скорость процесса не лимитируется даже скоростью света. Независимо от расстояния, коррелированные частицы остаются сцепленными до тех пор, пока они изолированы.
Взятые вместе квантовая суперпозиция и сцепление порождают огромную вычислительную мощь. 2-битовый регистр обычного компьютера может хранить в конкретный момент лишь одну из четырех бинарных конфигураций (00, 01, 10 или 11). А 2-кубитовый регистр КК может хранить все четыре числа одновременно, потому что каждый кубит представляет два значения. При добавлении новых кубитов вычислительная мощность возрастает экспоненциально.
Андрей НОВИКОВ
Юджин Мирабелли
Женщина в волновых уравнениях Шрёдингера
1.
Книга под названием "ШРЁДИНГЕР: ЖИЗНЬ И МЫСЛИ" написана Уолтером Муром и опубликована издательством Cambridge University Press в 1989 году. Это превосходный образец своего специфического жанра, предлагающий заинтересованному читателю весьма подробное беллетризованное описание жизни знаменитого физика, включающее в себя безупречно четкое разъяснение его оригинальных интуитивных идей, притом не только в ограниченной области квантовых взаимодействий, но и в широкой сфере чисто спекулятивной философии. Автор выразительными штрихами рисует мир, в котором жил и работал Эрвин Шрёдингер: его домашний очаг и учебные заведения, где он занимался преподавательской деятельностью, его привычную своеобычную интеллектуальную среду, его друзей, соратников, антагонистов и просто знакомых, ну и конечно, само собой разумеется, его женщин. Очень разных женщин, которых Шрёдингер пылко любил.
Именно эту книгу с увлечением поглощала Эми Беллаква. Ей было двадцать восемь лет, и она работала официанткой в тихом ресторанчике "Капри", расположенном на Санта-Круз авеню в Менло-парке. Эми никогда особенно не интересовалась физикой, однако, как сама говорила, не имела ничего против этой фундаментальной науки. Кроме того, она вообще любила читать биографии замечательных людей, а эта была написана на самом деле замечательно. По крайней мере, по большей своей части, где не попадаются на глаза уравнения чудаковатого вида, хотя, если уж совсем откровенно, они почти не мешают любопытному читателю следить за драматическим развитием исторических событий в науке.
Ладно, давайте скажем прямо и честно: Эми Беллаква с увлечением читала биографию Шрёдингера по той причине, что молодой человек, который недавно поселился прямо над ней, должен был вот-вот защитить свою докторскую по физике. И ей ужасно хотелось заранее основательно подготовиться, чтобы непринужденно завести интересную и приятную для физика беседу, когда они случайно опять столкнутся где-нибудь. В крошечной прачечной в подвале их дома, к примеру, или на той же тесной парковке на его заднем дворе. Дом был совсем небольшой и давно уже не новый, простая кирпичная коробка, отделанная желтоватой штукатуркой. Эми арендовала квартирку на первом этаже, а Джон Артопулос - точно такую же на втором.
Джону было двадцать восемь лет, и он мучался, дописывая диссертацию по теоретической физике, которую ему предстояло защищать в Стэнфордском университете. В средней школе Джон пользовался репутацией чародея в области точных наук, а когда поступил в колледж, ему очень скоро, хотя и довольно случайно, попалась на глаза одна замечательная вещь. Это была вдрызг затрепанная книжица в мягкой обложке под названием "Тридцать лет, которые потрясли физику", написанная человеком по имени Георгий Гамов. Автор оказался весьма известным ученым, и благодаря его популярной книге Джон заболел неизлечимой страстью к физике в ее головоломном теоретическом аспекте. Ему безумно понравился неформальный стиль и восхитили авторские рисунки, но самое потрясающее впечатление осталось от документальных фотографий, иллюстрирующих текст.
В основном это моментальные снимки, сделанные Гамовым в разнообразных обстоятельствах. Любознательный читатель может посмотреть на Нильса Бора, несущегося верхом на допотопном мотоцикле с супругой на заднем сиденье, и на упорного Вернера Гейзенберга, совершающего заплыв, и на полуголого Энрико Ферми с невероятно волосатой грудью и в жутких старомодных трусах, отбивающего мощным взмахом ракетки теннисный мячик. И конечно, на самого Георгия Гамова собственной персоной, за компанию с Вольфгангом Паули блаженствующего на палубе прогулочного пароходика, который неспешно бороздит швейцарскую озерную гладь…
Все эти люди очень близко знали друг друга, вместе пили и горланили песни, и всем скопом эта теплая дружеская компашка породила и блестяще разработала квантовую механику. И как же ему тогда захотелось присоединиться к этим могучим умам! Добавить к их изысканным интеллектуальным конструктам собственные блестящие идеи и мысли!..
Но теперь Джон Артопулос почти безнадежно завяз в своей диссертации, ощущая себя бесплодным и опустошенным. И это его состояние только лишь усугублялось. Возможно, Джон попросту переутомился, однако все чаще и назойливей его посещала одна ужасающая мысль. Что в действительности чувство радостного вдохновения вкупе с теплой дружеской поддержкой и счастьем совместной интеллектуальной игры безвозвратно улетучились из теоретической физики.
Теперь Джон проводил свое время по большей части в одиночестве тесной рабочей кабинки Стэнфордского линейного ускорителя, именуемого SLAC, а по меньшей - в одиночестве своей тесной неуютной квартирки. Но по выходным он непременно навещал Хайди Эгрет, которая уютно обосновалась в просторной артистической студии, расположенной в северной части Беркли.
Хайди было двадцать восемь лет, и в последнее время она профессионально занималась живописью. Конечно, Хайди была еще чересчур молода, чтобы стать знаменитостью, но ее репутация неуклонно росла, и недавно один влиятельный критик из "Калифорнийского спектра" зачислил Хайди Эгрет в десятку молодых живописцев, на которых стоило бы на всякий случай положить глаз. Ее искусство быстро эволюционировало, чутко реагируя на прихоти арт-рынка, и хотя она не всегда попадала точно в яблочко, но куда-нибудь поблизости почти наверняка. Наибольшую популярность из всех ее живописных опусов завоевали абстрактные картины, выполненные в технике пуантилизма, каковую сама Хайди Эгрет предпочитала именовать "пиксельной трансформацией".
Знатоки расходились во мнениях по поводу ее работ. Одни вступали в оживленные дебаты касательно того, является ли ее пикселизм кардинально усовершенствованным или все-таки лишь слегка осовремененным вариантом теоретических измышлений художника-пуантилиста Сёра вековой давности. Другие спорили с пеной у рта, можно ли оценить ее творческие находки как почти гениальные или же они вообще никуда не годятся.
Но все соглашались с тем, что Хайди Эгрет, которая до живописи несколько лет с большим энтузиазмом занималась серфингом, сногсшибательна в самом буквальном смысле этого слова. Джон впервые встретился с Хайди в одну прекрасную и очень жаркую субботу на шумном пляжном междусобойчике - и был сражен наповал.