Сознающий ум. В поисках фундаментальной теории

Динамика коллапса имеет скорее вероятностный, чем детерминистический характер. Если частица находится в состоянии, являющемся суперпозицией каких-то положений, то при измерении ее положения мы знаем, что она коллапсирует в состояние с определенным положением, но не знаем, каким оно будет. Скорее для каждого потенциально коллапсированного состояния постулат измерения конкретизирует вероятность того, что данная система коллапсирует в это состояние. Эта вероятность[191] задается квадратом амплитуды волновой функции в положении, соответствующем определенному значению, о котором идет речь. К примеру, если спин частицы — суперпозиция спина — «вверх» (с амплитудой 1/2) и спина — «вниз» (с амплитудой 3/2), то при измерении спина он коллапсирует в состояние спина — «вверх» с вероятностью 1/4 и в состояние спина — «вниз» с вероятностью 3/4. Амплитуды волновой функции всегда таковы, что сумма соответствующих вероятностей равна 1.

3. Интерпретируя квантовую механику

Два этих принципа вместе составляют исключительно мощное исчисление для предсказания результатов экспериментальных измерений. Для предсказания результатов эксперимента мы выражаем состояние системы в виде волновой функции и вычисляем, как эта волновая функция изменяется во времени в соответствии с уравнением Шредингера до момента измерения. При измерении мы используем амплитуды вычисленной волновой функции для определения вероятности появления различных коллапсированных состояний и того, что измерение даст нам ту или иную величину. Экспериментальные результаты однозначно подкрепляли предсказания данной теории; мало какие научные теории были столь же успешны в плане предсказаний. В качестве исчисления эта теория очень прочна.

Проблемы возникают, когда мы задаемся вопросом о том, как могло бы работать это исчисление. Что могло бы случаться в реальном мире для обеспечения столь высокой точности предсказаний данного исчисления? Это проблема интерпретации квантовой механики. Существует множество вариантов решения этой проблемы, но все они не лишены недостатков.

Вариант 1: Понимать исчисление буквально

Первой естественной реакцией было бы истолковать формализм квантовой механики в буквальном смысле, как мы это делаем с большинством научных теорий. Данное исчисление содержит волновую функцию, задаваемую динамикой уравнения Шредингера и постулатом измерения, и оно работает, так что мы должны предполагать, что оно рисует нам непосредственную картину происходящего в мире. Иначе говоря, состояние системы на самом деле является именно этим волновым состоянием, выражаемым волновой функцией и изменяющимся сообразно динамике, выражаемой двумя упомянутыми базовыми принципами. В основном это состояние изменяется в соответствии с уравнением Шредингера, но при измерении оно изменяется в соответствии с постулатом измерения. Согласно этому воззрению, мир состоит из волн, обычно линейно изменяющихся в суперпозиции и иногда коллапсирующих в более определенное состояние при осуществлении измерения.

Осмыслить эту картину, однако, не так просто. Все проблемы идут от постулата измерения. В соответствии с этим постулатом, коллапс происходит при выполнении измерения, но что считать измерением? Как природа узнает о том, в какой момент производится измерение? «Измерение» уж точно не является каким-то базовым термином законов природы; если постулат измерения должен хотя бы отдаленно напоминать фундаментальный закон, понятие измерения должно быть заменено чем-то более ясным и основополагающим. Если коллапс волновой функции — объективно существующий процесс в мире, то нам нужны ясные, объективные критерии, позволяющие установить, когда этот процесс имеет место.

Очевидно ошибочным было бы сказать, что коллапс происходит в тех случаях, когда квантовая система взаимодействует с измерительным прибором. Проблема здесь в том, что наличие понятия «измерительного прибора» в базовых законах столь же неправдоподобно, как и наличие в них понятия «измерения». Раньше нам нужны были критерии для измерения; теперь нам требуются критерии для измерительного прибора.

На заре квантовой механики часто говорили, что измерительный прибор — это классическая система, и что измерение происходит при любом взаимодействии квантовой системы с классической системой. Ясно, однако, что это неудовлетворительное решение. Квантовая теория имеет, как предполагается, универсальный характер, и она должна быть применима к процессам внутри измерительного прибора ничуть не меньше, чем ко всем остальным. Если мы не готовы допустить, что в мире существует два фундаментально различных вида физических объектов — а это допущение потребовало бы создания совершенно новой теории — то выражение «классическая система» не может быть термином, используемым в фундаментальном законе природы — ничуть не отличаясь этим от «измерения».