На лужайке Эйнштейна

Мы довольно легко нашли дорогу в жилой пригород, где жил Журек. Журек был крупной фигурой в области квантовой теории информации. Вместе с Биллом Вуттерсом, тоже студентом Уилера, он доказал теорему, известную как теорема о запрете клонирования, которая гласит: невозможно создать идеальную копию произвольного, не измеренного заранее квантового состояния. Он также сделал решающий вклад в понимание процесса, известного как квантовая декогеренция, который объясняет, почему повседневный, макроскопический мир не похож на квантовый.

Даже если вы попытаетесь, вслед за Бором и членами его Копенгагенской школы, провести границу между наблюдателем и наблюдаемым, разделив мир на «макроскопическую», или «классическую», и «микроскопическую», или «квантовую», части, вы всегда сможете подвинуть эту границу в сторону более крупных масштабов, превратив в наблюдаемое и часть наблюдателя, переместив внутрь бывшее снаружи, сузив классическое ради расширяющегося квантового. Почему тогда мы не замечаем признаков суперпозиций – тех интерференционных полос, которые проявляются в опыте с двойной щелью, – когда мы измеряем длину дивана, или рост ребенка, или положение Луны? Почему в большом мире классические вероятности, которые предполагают, что все всегда имеет только одно, то или иное, положение, работают настолько хорошо, хотя, как мы знаем, явления должны описываться на языке квантовых вероятностей, которые предполагают, что до того, как мы провели измерение, все находилось в нескольких состояниях одновременно?

Все дело в декогеренции – таков ответ, полученный во многом благодаря Журеку. Идея проста. Интерференционные узоры образуются, когда складываются вместе волновые функции, описывающие два возможных состояния системы: скажем, одна волновая функция описывает прохождение электрона через щель А, а другая – прохождение электрона через щель B. Когда фотопластинка регистрирует электроны, каждый из них попадает в случайную точку на пластинке, но их распределение определяется вероятностями, закодированными в суперпозиции волновых функций. Положение полос интерференционного узора определяется разностью фаз двух волн: там, где вероятности складываются в противофазе и компенсируют друг друга, возникают темные полосы, а там, где фазы волновых функций одинаковы, они усиливают друг друга, и появляются светлые полосы. Поскольку разница фаз между волнами остается постоянной для всех электронов, то суперпозиция когерентна. Если, однако, электроны распространяются в среде, например в воздухе, в конечном итоге они будут на своем пути взаимодействовать с миллиардами молекул. Каждый раз, когда электрон будет проходить через щель, разность фаз волновых функций будет изменяться случайным образом от одного измерения к другому. В этом случае уже не будет единой для всех электронов когерентной суперпозиции, определяющей распределение вероятности расположения светлых и темных полос. Вместо этого результат измерений будет определяться волновыми функциями для каждого электрона отдельно: как если бы электрон всегда проходил через одну щель и никогда – через две щели одновременно. Распределение электронов на фотопластинке окажется именно таким, какого следовало бы ожидать, имея дело с неквантовыми частицами.

Мы с Войцехом Журеком в Лос-Аламосе.

Фото: У. Гефтер.

Размазывая когерентность суперпозиций и придавая квантовым распределениям вероятностей классический вид, декогеренция в среде, на первый взгляд, приводит к обрезанию квантовых волновых функций, превращая множество возможностей в единственную актуальную действительность. В реальности никакого коллапса волновых функций не происходит. В реальности электрон запутывается с каждой молекулой воздуха, с которой он взаимодействует, его волновая функция накладывается на волновую функцию каждой молекулы. В реальности все становится еще более квантовым. Мы просто этого не замечаем, потому что мы не наблюдаем за молекулами воздуха. Если бы мы измеряли не только электроны и регистрирующий их прибор, но также окружающую их среду, мы бы увидели такую интерференционную картину, какую до сих пор никто никогда не наблюдал.

Журек встретил нас в дверях своего дома. Он тепло нас приветствовал, но выглядел немного диковато – с взлохмаченными рыжими волосами, такого же цвета бородой и тяжелым польским акцентом. Мы проследовали за ним в большую гостиную, которая была выполнена в юго-западном стиле: облицованный камнем камин в одном конце комнаты и панорамные окна от пола до потолка, с видом на горы и каньоны внизу, – в другом.

– Как вы познакомились с Уилером? – спросила я, едва мы расселись на диванах.